Способ биоимпедансного определения объемов жидкости тела

Способ биоимпедансного определения объемов жидкости тела

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицины, а именно к неинвазивным методам определения объемов жидкости в частях тела, в которых в качестве зондирующего сигнала используется переменный электрический ток.

Современные методы диагностики позволяют проводить разносторонние исследования, не нарушая целостности кожного покрова у больного. Это достигается за счет использования зондирующих излучений, обладающих высокой проникающей способностью, например рентгеновское, ультразвуковое или магнитное, а также электрического тока. В результате взаимодействия с тканями организма сигналы зондирующих излучений изменяют свои параметры, на основании чего удается получить ряд характеристик, отражающих строение организма и состояние органов и тканей.

Кроме диагностических возможностей, методы оцениваются по степени безопасности, т.е. способности не вызывать осложнений и остаточных явлений в организме в процессе и после исследований.

Диагностические методы, в которых в качестве зондирующего сигнала используется переменный электрический ток, являются наиболее щадящими. Это достигается за счет использования зондирующего сигнала более низкой интенсивности по сравнению с другими воздействиями. Например, исследования жидкостно-жирового состава тела проводятся посредством переменного зондирующего тока силой в десятые доли миллиампер. Зондирование организма переменным током позволяет проводить наблюдения за динамическим состоянием системы кровообращения и органов дыхания [1]. Переменный ток, содержащий две и более разнесенные в частотном диапазоне гармонические составляющие, позволяет получить информацию о качественном состоянии тканей и органов, например о водном балансе и жировой массе организма и его частей, о состоянии тканей, трансплантатов и их пригодности к имплантации [2].

Известен способ определения объемов жидкости тела при гемодиализе, осуществляемый путем измерения импеданса ног на низкой и высокой частотах и определения объемов внеклеточной, клеточной и общей жидкости организма на основании взаимосвязи импеданса с объемом электропроводящей жидкости в измеряемой части тела [3]. Недостатком этого метода является низкая точность, обусловленная тем, что объемы жидкости всего организма оценивают косвенным путем, дополнительно используя параметры изменения показателей крови (гематокрит).

Известен способ определения объемов жидкостных секторов организма, осуществляемый путем измерения роста (геометрического размера тела) и импеданса тела при зондировании его током низкой и высокой частоты, который пропускают от рук к ногам [4]. Недостатком данного способа является низкая точность определения общих объемов жидкости тела, обусловленная тем, что при последовательном прохождении тока по пути: руки - туловище - ноги в измеренном импедансе в основном отражается составляющая рук, т.к. они имеют наибольшую его величину относительно туловища и ног. Также недостатком данного способа является то, что объемы жидкости определяются для всего тела без деления по его составным частям: рукам, туловищу, ногам.

Ближайшим аналогом является способ биоимпедансного определения объемов жидкости в частях тела, заключающийся в измерении роста (геометрического размера тела), наложении потенциальных и токовых электродов на дистальные части конечностей, измерении импеданса рук, туловища и ног при зондировании тканей током низкой и высокой частоты и определении на основании измеренных параметров объемов внеклеточной, клеточной и общей жидкостей [5]. Недостатком данного способа является низкая точность определения объемов жидкости туловища, обусловленная высокой неравномерностью распределения зондирующего тока в туловище и изменением величины импеданса туловища вследствие дыхания. Измерение импеданса туловища в данном способе производится при прохождении зондирующего тока между правой (левой) рукой и левой (правой) ногой и измерении падения напряжения на туловище между левой (правой) рукой и правой (левой) ногой. При этом в области плеча зондирующий ток изменяет свое направление почти на противоположное, вследствие чего его распределение в объеме верхней части туловища является неравномерным и приводит к снижению точности измерения импеданса всего туловища [6]. Изменение объема легких во время дыхания также влияет на распределение зондирующего тока в верхней части туловища и отражается в измеряемом импедансе туловища в виде периодического изменения его величины. Использование в данном способе величины импеданса всей ноги для нахождения объема жидкости в ней также снижает точность данного метода. Это обусловлено тем, что в бедре содержится основная часть жидкости ноги, но оно имеет приблизительно в два раза меньшую величину импеданса, чем голень, из-за чего измеренный импеданс всей ноги в значительной мере отображает объем жидкости, содержащейся в голени, а не во всей ноге.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения объемов жидкости тела за счет повышения равномерности распределения зондирующего тока в туловище с учетом асимметричного расположения в нем органов и дифференцированного анатомического подхода при измерении величины импеданса ног.

Технический результат достигается тем, что в способе биоимпедансного определения объемов жидкости тела, заключающемся в измерении геометрического размера тела и электрического импеданса рук, туловища и ног при их зондировании током низкой и высокой частот посредством токовых и потенциальных электродов, наложенных на дистальные части конечностей, и определении на основании полученных результатов измерений внеклеточного, клеточного и общего объемов жидкости в руках, туловище и ногах, дополнительно накладывают токовые электроды на левую и правую части шеи и потенциальные электроды на дистальные части бедер, измерение импеданса туловища Z_Т осуществляется путем последовательного измерения импеданса его правой Z_ПТ и левой Z_ЛТ частей при прохождении зондирующего тока между электродами одноименных сторон шеи и ног и находят Z_Т как Z_Т=1/2· (Z_ПT+Z_ЛТ), импеданс ног Z_Н определяют путем измерения импеданса бедер Z_Б и голеней Z_Г как Z_Н=Z_Б+Z_Г, а при определении объемов жидкости в туловище и ногах используют измеренные значения Z_Т и Z_Н, причем в качестве геометрического размера тела используют расстояние от плоскости, проходящей через верхнюю поверхность плеча до середины лучезапястного сустава при руке, расположенной вдоль туловища.

Сущность изобретения поясняется чертежами, отражающими эквивалентную схему пространственного сопряжения импеданса частей тела, где:

на фиг.1 приведена эквивалентная схема, отображающая импеданс анализируемых частей тела;

на фиг.2 приведена блок-схема для измерений импеданса частей тела;

на фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема замещения тканей организма при его зондировании переменным электрическим током;

на фиг.4 приведен результат контроля динамики объемов внеклеточной жидкости;

на фиг.5 приведен результат контроля динамики объемов клеточной жидкости.

Способ биоимпедансного определения объемов жидкости тела осуществляется следующим образом.

Объем электропроводящей физиологической жидкости, находящейся в исследуемом объеме тела, определяют, основываясь на теории электричества. Через исследуемый участок тела пропускают переменный зондирующий ток постоянной величины и измеряют возникающее на нем падение напряжения. Величина измеренного напряжения пропорциональна импедансу исследуемого участка. Если площади поперечных сечений исследуемого участка на пути прохождения зондирующего тока имеют приблизительно одинаковую величину, то его объем электропроводящей жидкости находят из следующего выражения:

V_И=ρ · l

2

И

/Z_И,

где: ρ - удельное сопротивление физиологической жидкости;

l_И - расстояние между потенциальными электродами;

Z_И - электрический импеданс исследуемого участка.

Выполнение требования, касающееся постоянства величины площади поперечного сечения исследуемого объема тела, осуществляется за счет того, что измерение объемов жидкости тела производится дискретно в следующих его частях: руках за исключением объема кистей, туловище и ногах за исключением объема стоп.

Для измерения импеданса составных частей тела используется тетраполярный метод, в котором пары токовых и потенциальных электродов накладывают на дистальные части предплечий и голеней, дополнительные токовые электроды накладывают на левую и правую части шеи, а дополнительные потенциальные электроды накладывают на дистальные части бедер. Импеданс в выбранных отведениях измеряют посредством зондирующего тока низкой и высокой частот, коммутация которого между токовыми электродами осуществляется посредством токового коммутатора, управляемого через интерфейс контролером (фиг.2). Сигналы с потенциальных электродов через потенциальный коммутатор, измеритель напряжения и интерфейс поступают в контролер, который также управляет потенциальным коммутатором, за счет чего обеспечивается регистрация в выбранных отведениях. Импеданс, измеренный в отведениях, содержит импеданс следующих частей тела (фиг.1):

Z_П=Z_ПР+Z_ПT+Z_ПБ+Z_ПГ,

где: Z_П - импеданс правой части тела, который измерен при прохождении тока между правой рукой и правой ногой путем измерения между ними напряжения отведения для правой части тела;

Z_ПБ - импеданс правого бедра;

Z_ПГ - импеданс правой голени;

Z_ПТ - импеданс правой части туловища;

Z_ПР - импеданс правой руки.

Z_Л=Z_ЛР+Z_ЛТ+Z_ЛБ+Z_ЛГ,

где Z_Л - импеданс левой части тела, который измерен при прохождении тока между левой рукой и левой ногой путем измерения между ними напряжения отведения для левой части тела;

Z_ЛБ - импеданс левого бедра;

Z_ЛГ - импеданс левой голени;

Z_ЛТ - импеданс левой части туловища;

Z_ЛР - импеданс левой руки.

Z_Н=Z_ПГ+Z_ПБ+Z_ПГ,

где: Z_Н - импеданс ног, который измеряется при прохождении тока между ногами путем измерения напряжения между ними.

Z_ПТН=Z_ПТ+Z_ПБ+Z_ПГ,

где: Z_ПТН - импеданс правой части туловища и правой ноги, который измеряется при прохождении тока между правой частью шеи и правой ногой путем измерения напряжения между правой рукой и правой ногой.

Z_ЛТН=Z_ЛТ+Z_ЛБ+Z_ЛГ,

где: Z_ЛТН - импеданс левой части туловища и левой ноги, который измеряется при прохождении тока между левой частью шеи и левой ногой путем измерения напряжения между левой рукой и левой ногой.

Z_Б=Z_ПБ+Z_ЛБ,

где: Z_Б - импеданс бедер, который содержит импеданс правого бедра (Z_ПБ) и импеданс левого бедра (Z_ЛБ) и измеряется при прохождении тока между ногами путем измерения напряжения между бедрами.

Во время дыхательного цикла происходит изменение объема легких, отражающееся на величине импеданса туловища (Z_Т) в виде отклонения его значения от 2 до 10%, в зависимости от глубины вдоха. Данная погрешность является значительной, т.к. объем жидкости, содержащейся в туловище, составляет не менее половины общего объема жидкости тела. Следовательно, при определении общего объема жидкости тела методом измерения импеданса погрешность, вызванная дыханием, может достигать 5%. Компенсация данного типа погрешностей производится путем усреднения измеряемых значений в течение времени одного или нескольких дыхательных циклов. Основным требованием при использовании метода усреднения является минимизация времени измерения величин параметра так, чтобы его значения за время измерения изменялись бы незначительно.

Также для измерения Z_Т необходимо, чтобы зондирующий ток (I₃) был равномерно распределен по всему электропроводящему объему туловища. Это условие выполняется в наибольшей степени при расположении токовых электродов на шее и ноге. При данном расположении электродов повышается равномерность распределение I₃ по площади поперечного сечения туловища и достигается продольная ориентация направления I₃ по всей длине туловища. Значение Z_Т получают в результате двух последовательных во времени измерений импеданса: Z_ПТН и Z_ЛТН, a также измерения Z_Н, которое может производиться до или после последовательного измерения импеданса Z_ПТН и Z_ЛТН:

Z_Т=1/2· (Z_ПТН+Z_ЛТН-Z_Н)=1/2· (Z_ПТ+Z_ЛТ).

Последовательные во времени измерения импеданса Z_ПТН и Z_ЛТН позволяют получить значение Z_Т в течение минимального времени и тем самым выполнить одно из требований, необходимых для компенсации погрешности, вызванной циклом дыхания.

Особенность измерения Z_Т заключается в том, что он производится между двумя мнимыми "электрическими границами": первая проходит на уровне тазобедренных суставов по нижней линии тока при его прохождении по ногам, вторая - по линии, проходящей в верхней плоскости между плечами, т.е. по наивысшей эквипотенциальной поверхности в области плеч. В совокупности с равномерным распределением I₃ в туловище за счет фиксации токовых электродов на шее и ногах и с учетом последовательного во времени измерения импеданса правой и левой частей тела удается получить значение Z_Т, которое достоверно отображает импеданс туловища.

Импеданс правой руки Z_ПР определяют из результатов измерений импеданса Z_П и импеданса Z_ПТН:

Z_П-Z_ПТН=Z_ПР.

Импеданс левой руки Z_ЛР определяют из результатов измерений импеданса Z_Л и импеданса Z_ЛТН:

Z_Л-Z_ЛТН=Z_ЛР.

Импеданс голеней Z_Г определяют из результатов измерений импеданса Z_Н и импеданса Z_Б:

Z_Н-Z_Б=Z_ПГ+Z_ЛГ=Z_Г.

Величина электрического импеданса тканей при увеличении частоты зондирующего тока уменьшается - это эквивалентно наличию в импедансе тканей емкостной составляющей. Импеданс тканей (Z_НЧ), измеренный на низкой частоте (5 кГц), обусловлен прохождением тока по пространству, заполненному внеклеточной жидкостью. Импеданс тканей, измеренный на высокой частоте (500 кГц), дополнительно характеризуется наличием емкостной составляющей, обусловленной емкостными свойствами клеточных мембран, которая в эквивалентной схеме (фиг.3) представлена сопротивлением (Z_С), включенным параллельно сопротивлению (Z_НЧ).

Объемы внеклеточной (V_ВН), клеточной (V_КЛ) и общей (V_ОБ) жидкостей для рук, туловища, бедер и голеней определяют согласно известной биофизической модели [7] на основании величины их импеданса (Z_ВН, Z_КЛ), удельного сопротивления жидкости тела (с) и длины части тела (l) по следующим формулам:

V_ВН=ρ · l²/Z_ВН; V_КЛ=ρ · l²/Z_КЛ; V_ОБ=V_ВН+V_КЛ;

Z_ВН=Z_НЧ; Z_КЛ=k· Z_С; Z_С=Z_НЧ·Z_ВЧ/(Z_НЧ-Z_ВЧ),

где: Z_НЧ - импеданс тканей, измеренный на низкой частоте (НЧ) 5 кГц;

Z_ВЧ - импеданс тканей, измеренный на высокой частоте (ВЧ) 500 кГц;

Z_С - величина емкостной составляющей импеданса тканей, измеренного на высокой частоте (ВЧ) 500 кГц;

k=0,42 - коэффициент, учитывающий наличие мембраны между клеточной и внеклеточной жидкостью.

В качестве базовой длины (l) измеряют расстояние от плоскости, проходящей через верхнюю поверхность плеча до середины лучезапястного сустава, и на основании ее величины и известных антропометрических соотношений определяют значения, используемые в качестве длины для исследуемых частей тела:

l_р=0,9· l; l_T=l; l_Б=1,1· l; l_Г=1,1· l;

где: l_Р - величина, используемая для определения объемов рук, в которой учтено, что фиксация электродов производится перед лучезапястным суставом;

l_Т - величина, используемая для определения объемов туловища;

l_Б - величина, используемая для определения объемов бедер;

l_Г - величина, используемая для определения объемов голеней.

Величина удельного сопротивления (ρ ), используемая для определения объемов жидкости, была уточнена в процессе биоимпедансного контроля медицинских процедур, осуществляющих дефицит жидкости в организме: гемодиализ, плазмафорез. Для частот зондирующего тока 5 и 500 кГц и измерения импеданса тетраполярным методом: с=70 Ом· см.

Значения импеданса Z_П, Z_Л, Z_Н, Z_ПТН, Z_ЛТН, Z_Б получают, используя для измерений анализатор АВС-01 (Медасс) или аналогичный прибор, например, выполненный по приведенной блок-схеме (фиг.2).

Метрологическая достоверность способа наглядно демонстрируется при проведении контроля объемов жидкости у больного в процессе процедуры плазмафореза (ПФ). Во время ПФ из вены забирают кровь, производят ее разделение на плазму, которую удаляют, и эритроцитарную массу, которую периодически возвращают в организм. При данной процедуре в организме циклически создается последовательная динамика объемов жидкости: забирают 500 мл крови, после чего возвращают 300 мл эритроцитарной массы. В аппарате для ПФ контроль за объемом забираемой крови производится непрерывно. Сравнивая одновременно измеренные объем забранной крови аппаратом для ПФ и объем жидкости в организме, измеренный биоимпедансным методом, можно судить о достоверности последнего.

Пример 1. Больной К..., 23 года, вес 57 кг, l=52 см. Проводился биоимпедансный контроль объемов жидкости в организме до процедуры ПФ и в момент забора у больного 670 мл жидкости, включающей 200 мл плазмы и 470 мл крови. Значения импеданса, измеренные в отведениях до забора крови и после забора 670 мл, приведены в табл.1, а вычисленные значения импеданса для частей тела - в табл.2:

Табл.1
Частота тока	Импеданс в отведениях (до ПФ/во время ПФ), Ом
	ZП	ZЛ	ZН	ZПTH	ZЛТН	ZБ
НЧ	525,8/538,6	579,0/572,7	518,1/519,8	292,5/297,4	303,1/306,3	130,0/130,0
ВЧ	400,0/405,6	446,9/445,6	390,3/386,0	223,0/219,4	232,2/233,8	91,7/90,6
Табл.2
Частота тока	Импеданс частей тела (до ПФ/во время ПФ), Ом
	руки	туловище	бедра	голени
НЧ	126,4/126,6	38,8/42,0	130,0/130,0	388,1/389,8
ВЧ	97,0/99,1	32,5/33,6	91,7/90,6	298,6/295,4

Величины объемов V_ВН, V_КЛ и V_ОБ жидкостей, вычисленные согласно формулам биофизической модели [6], приведены в табл.3:

Табл.3
Части тела	Объемы жидкости (до ПФ/во время ПФ), л
	внеклеточной	клеточной	общий
Руки (Р)	1,22/1,22	2,43/2,32	3,65/3,54
Туловище (Т)	4,88/4,51	8,09/7,89	12,97/12,40
Бедра (Б)	1,76/1,76	4,34/4,40	6,10/6,16
Голени (Г)	0,59/0,59	1,18/1,22	1,77/1,81
(Р+Т+Б+Г)	8,45/8,08	16,04/15,83	24,49/23,91
Динамика:(Р+Т+Б+Г)	0,37	0,21	0,58

Анализ полученных величин объемов жидкости (табл.3) показывает:

- величина снижения общего объема жидкости у больного (580 мл) хорошо согласуется с величиной объема жидкости (плазма+кровь: 670 мл), забранной у больного на момент времени проведения биоимпедансных измерений;

- во время забора крови биоимпедансные измерения показывают, что у больного снижение объемов жидкости происходит практически только в туловище;

- по данным биоимпедансных измерений снижение величины объема внеклеточной жидкости (0,37 л) больше снижения величины клеточного объема (0,21 л), что качественно совпадает с клиническим характером процедуры: из организма удаляется плазма, являющаяся внеклеточной жидкостью.

Пример 2. Больная Г..., 35 лет, первый месяц проводится перитонеальный диализ, объем вводимого раствора в брюшную полость: 2 литра.

Определяли предложенным способом изменения объемов жидкости в частях тела при залитом в живот растворе в интервале, равном 6-ти дням и в течение одной процедуры замены раствора в животе: "полный живот>пустой живот>полный живот". Динамика изменения объемов внеклеточной жидкости приведена на фиг.4, а объемов клеточной жидкости - на фиг.5.

За период между первым и шестым днем наблюдения объемы внеклеточной и клеточной жидкости во всех частях тела достоверно снизились. По результатам измерения импеданса общий объем жидкости у больной за данный период уменьшился на 4.77 л.

За время процедуры по замене раствора в животе объемы внеклеточной жидкости достоверно снизились только в туловище на 1,34 л и остались на прежнем уровне в руках и ногах. Объемы клеточной жидкости в туловище и ногах за время процедуры изменялись в большем диапазоне, чем объемы внеклеточной жидкости. Объемы общей жидкости у больной до и после процедуры составили соответственно 28,2 л и 28,05 л.

Анализ результатов примера 2.

Полученные результаты в виде синхронного снижения значений объемов клеточной и внеклеточной жидкости в интервале шести дней во всех частях тела и объемной реакции внеклеточной жидкости туловища во время процедуры демонстрируют возможности модели отображать динамику объемов жидкости в частях тела на длительных и коротких интервалах времени.

Во время процедуры вычисление объема клеточной жидкости должно производиться с коррекцией, учитывающей шунтирующее действие раствора на ткани брюшной полости. Шунтирующее действие раствора подтверждается приблизительным равенством значений общей жидкости у больной до и после процедуры.

По сравнению с прототипом, осуществляющим определение объемов жидкости в частях тела путем зондирования током низкой и высокой частот, заявленный способ имеет следующие преимущества:

- точность определения импеданса туловища, а следовательно, и объема его жидкости повышается за счет более равномерного распределения зондирующего тока в торакальной области, не охватываемой прототипом [5, 6] и составляющей ~ 20% от всего объема туловища;

- точность определения объема жидкости ног повышается за счет раздельного измерения импеданса голеней и бедер, у которых соотношение объемов жидкости составляет ~ 1/3, а следовательно, их импедансов как 3/1, что раньше приводило к необходимости математической компенсации >100% ошибки, отражающей импеданс ног, используемый для расчета объема их жидкости, в заявленном способе данная погрешность устраняется методическим путем.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность неинвазивного определения объемов внеклеточной, клеточной и общей жидкостей в частях тела и в целом для всего организма за счет измерения параметров туловища и ног в более полном объеме и компенсации погрешности, возникающей при дыхании.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Л.З.Полонецкий, Л.Г.Гелис, А.В.Фролов Импедансная плетизмография. Инструментальные методы исследования в кардиологии. (Руководство) Минск, 1994, 81-119.;

2. Иванов Г.Г., Николаев Д.В., Балуев Э.П., Закс И.О., Ивлева В.В., Мещеряков Г.Н., Кравченко Н.Р. Метод биоимпедансной спектроскопии в оценке общей воды и внеклеточной жидкости. М.: Новости науки техники, серия МЕДИЦИНА, №3, 1997, с.28-33.

3. K.Sakamoto, H.Kanai, K.Sakurai. Estimation of the fluid distribution change during hemodialysis by the electrical admittance method. Oslo, Proceedings of the XI international conference on electrical bio-impedance, 2001, 377-380.

4. Патент RU №20930069, кл.А 61 В 5/05, 1991.

5. Патент SU №1826864, кл. А 61 В 5/05, 1990.

6. Nikolaev D., Smirnov A., Tarnakin A. Bioimpedance analysis with automatically electrode commutation in equipment for intensive care unit. Oslo, Proceedings of the XI international conference on electrical bio-impedance, 2001, 381-384.

7. Капитанов Е.Н. Биофизическая модель для определения объемов жидкости в организме при его зондировании переменным электрическим током, М., Материалы пятой научно-практической конференции: "Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", март 2003, с.196-203.

Способ биоимпедансного определения объемов жидкости тела, заключающийся в измерении геометрического размера тела и электрического импеданса рук, туловища и ног при их зондировании током низкой и высокой частот посредством токовых и потенциальных электродов, наложенных на дистальные части конечностей, и определении на основании полученных результатов измерений внеклеточного, клеточного и общего объемов жидкости в руках, туловище и ногах, отличающийся тем, что дополнительно накладывают токовые электроды на левую и правую части шеи и потенциальные электроды на дистальные части бедер, измерение импеданса туловища Z_Т осуществляют путем последовательного измерения импеданса его правой Z_ПТ и левой Z_ЛТ частей при прохождении зондирующего тока между электродами одноименных сторон шеи и ног и находят Z_Т, как Z_Т=1/2·(Z_ПТ+Z_ЛТ), импеданс ног Z_Н определяют путем измерения импеданса бедер Z_Б и голеней Z_Г, как Z_Н=Z_Б+Z_Г, а при определении объемов жидкости в туловище и ногах используют измеренные значения Z_Т и Z_Н, причем в качестве геометрического размера тела используют расстояние от плоскости, проходящей через верхнюю поверхность плеча до середины лучезапястного сустава при руке, расположенной вдоль туловища.