Методы биоимпедансного анализа биоматериалов

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.

На основе сопоставления результатов биоимпедансного анализа (БА) и магнитно-резонансной томографии было показано, что биоимпедансометрию можно использовать для определения объёма мышц. Анализ даёт более точную оценку площади поперечного сечения и объёма мышц конечностей по сравнению с антропометрией [102]. БА используется для мониторинга неотложных состояний в период диализа [110], при шоке [107], сепсисе [119], потере крови при комбинированной травме [123]. БА позволяет оперативно и достаточно надежно оценить изменения состояния водного обмена во время и после хирургических вмешательств [125]. У 5 из 26 тяжелых больных отделения реанимации измерение торакального импеданса оказалось полезным для оценки результатов терапевтического воздействия или изменений клинического состояния [17]. При использовании величины торакального импеданса 24 Ом в качестве нижней границы нормы оказалось возможным предсказать отек легких с чувствительностью 92% и специфичностью 79% [1 16].

состояния водного обмена при гипокинезии и для выявления ортостатической гипотонии [74], при ожогах, диализе, для выявления лимфостаза после мастэктомии, новообразований и воспалительных очагов на поверхности и в полостях тела, в пищеводе, желудке, мочевом пузыре, шейке матки, пародонте, в трубчатых костях [123], для оценки жизнеспособности органа перед трансплантацией и исследования фармакокинетических параметров лекарственных препаратов [116]. Общий дефицит жидкости с уменьшением объема клеточной жидкости и дефицитом натрия наблюдается при различной концентрации натрия в сыворотке крови. Для состояния дегидратации типичны тахикардия, ортостатическая гипотония и замедленное наполнение капилляров [120]. Массу миокарда левого желудочка, особенно у лиц с ожирением, можно оценить точнее, вычислив безжировую массу тела методом БА [118]. У лиц с сердечной недостаточностью биоимпедансный анализ помогает в выборе адекватной терапии и способствует снижению частоты госпитализаций по поводу избыточного содержания жидкости [125].

Региональные биоимпедансные исследования осуществляются как непосредственным измерением импеданса интересующего участка тела между парой потенциальных электродов при расположении токовых электродов с обеих сторон вне участка измерений, так и косвенно, когда система электродов размещается на голеностопах, запястьях и голове. Зондирующий ток коммутируется между парами токовых электродов, а варианты коммутации потенциальных электродов могут не совпадать с вариантами коммутации токовых электродов состава тела Наилучшую точность оценки состава тела методом биоимпедансометрии обеспечивают устройства для измерения импеданса всего тела по стандартной схеме - с наложением электродов на голень и запястье. Оборудование, позволяющее проводить исследования по всем существующим на сегодняшний день методикам биоимпедансного измерения, а также соответствующее программное обеспечение, в России выпускается научно­техническим центром "Медасс" (г.

использовании зависимости баланса электрического сопротивления тканей на низкой и высокой частоте (20 и 500 кГц) от объёмов клеточной и внеклеточной жидкости. Для расширенных исследований используется набор из 6 частот переменного тока от 5 до 500 кГц.

Электродная система анализатора может состоять из 4, 8, 10 или 12 электродов, соответственно, для интегрального (классического), 5-сегментного (туловище, руки, ноги), 7-сегментного (голова, торакальная и абдоминальная области, бёдра, голени) и 9-сегментного (торс, плечи, бёдра, предплечья, голени) обследования [58].

На рисунке 1.3 a приводится схема Томассета. На рисунке 1.3б показана схема измерения от запястья до щиколотки по одной стороне тела, широко используемая для оценки состава тела в диетологии и фитнесе. На рисунке 1.3в показана схема измерения "по Тищенко": руки и ноги соединяются внешними проводниками. Эти три схемы интегральные, так как с их помощью оцениваются параметры всего тела без деления на сегменты. Следующие две схемы региональные: рисунок 1.3г — схема фирмы "Омрон" и рисунок 1.3д — схема фирмы "Танита". Они позволяют оценивать параметры верхней и нижней частей тела, соответственно. Остальные схемы — полисегментные, реализуемые, наряду с вышеперечисленными схемами, только прибором АВС-01 "Медасс" (рисунок 1.3е-з).

Биоимпедансные анализаторы чаще всего применяемые в спортивно­оздоровительной медицине для контроля жировой и скелетно-мышечной массы тела. Более дорогостоящие двухчастотные и многочастотные биоимпедансные анализаторы применяются в основном в клинической медицине и научных исследованиях.

Устройства отличаются по используемой частоте (или набору частот) переменного тока, по измеряемым показателям (активное, реактивное и полное сопротивление, фазовый угол), рекомендуемым схемам наложения электродов и встроенным формулам для определения состава тела. В настоящее время

наблюдается тенденция к выработке единых стандартов выпускаемого оборудования, программного обеспечения и процедуры измерений.

Рисунок 1.3 - Схемы измерений, используемые в известных методиках биоимпедансного анализа

В монографиях [9, 45] и в других трудах показано, что импедансы различных составляющих биотканей одного органа существенно отличаются друг от друга. Кроме небольшого числа случаев, разность импедансов между близлежащих биотканей внутри одного органа оказался настолько значительным, что он не перекрывается ни индивидуальными особенностями пациентов, ни температурными изменениями импеданса.

Чаще всего для вычисления биоимпеданса применяются формулы, основанные на использовании активного сопротивления R.Эти формулы базируются на простом соотношении для электрического сопротивления однородного изотропного проводника постоянного сечения, поперечные размеры которого много меньше его длины:

39 где l - длина, м; S'- площадь поперечного сечения, м; V - объём, >г"; p - удельное сопротивление проводника, Ом*м.

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 [114]. Кроме того, площадь поперечного сечения тела вдоль направления зондирующего тока сильно варьирует в зонах, наиболее интересных для анализа.

В норме при подключении электродной системы голень-запястье 90-95% импеданса всего тела составляет импеданс конечностей. Типичные значения импеданса руки от запястья находятся в интервале 100.350 Ом, ноги от голеностопа — 100.300 Ом, а туловища, масса которого составляет около 50% массы тела, — лишь 5-10% от общего импеданса (20.60 Ом) [9, 45].

Для построения оценок объёмов водных секторов организма и клеточной массы тела методом БА в качестве эталона обычно используют методы изотопного разведения и определения естественной радиоактивности всего тела, для оценки жировой и безжировой массы тела — гидростатическую денситометрию, двухэнергетическую рентгеновскую абсорбциометрию, а также сочетания указанных методов.

Как и в случае антропометрии, формулы для определения состава тела на основе БА обладают свойством популяционной специфичности. Для повышения точности оценок состава тела некоторые формулы наряду с характеристиками импеданса и длины тела содержат дополнительные параметры, такие как пол, возраст, масса тела и этническая принадлежность

Важной характеристикой электрической проводимости тканей является отношение их ёмкостного и активного сопротивлений:

tg φ = Xc/R, (1.9)

где Xc -реактивное сопротивление, Ом; R- активное сопротивление, Ом.

Величина φв этом уравнении фазовый угол, который характеризует сдвиг фазы переменного тока относительно напряжения [95].

Типичные значения X_cи R при измерении импеданса всего тела составляют 20-80 Ом и 200-800 Ом соответственно. Значения φпри 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 [100]. Пониженные значения X_cсвязывают 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. На основании этого полагают, что чем больше величина φ, тем лучше состояние организма. Повышенные значения X_cотражают более высокое содержание активной клеточной массы и трактуются в спортивной медицине как свидетельство тренированности. Величина φснижена у пациентов с почечной недостаточностью (φ