Все тело

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СИСТЕМНОМУ АНАЛИЗУ
ГЕМОДИНАМИКИ БИОИМПЕДАНСНЫМ МЕТОДОМ
Цветков А.А., Николаев Д.В., Можаев В.А.
НТЦ "МЕДАСС" [email protected]
Диагностические методы, используемые в современной клинике для исследования
гемодинамики,
ориентированы
преимущественно
на
выборочное
изучение
кровоснабжения отдельных органов и регионов. Объектами исследования выбираются, как
правило, сердце и торакальный регион для оценки центральной гемодинамики, участки
конечностей, бассейны кровоснабжения головного мозга, печень и т.д. В рамках такого
подхода картина регуляции кровообращения в организме неполна, так как, не обеспечивает
целостность и системность восприятия происходящих во всех регионах организма
процессов.
Для практического осуществления системного исследования в рамках традиционно
используемых
биоимпедансных
методик, количество
используемого
оборудования,
сложность электродных систем и согласование программных средств порождают
трудноразрешимые проблемы.
В Научно-техническом Центре "МЕДАСС" разработана методика и анализатор
гемодинамики АГИ-01, для оценки перераспределения жидкости и крови в теле человека.
Рисунок. 1.
Системность оценки гемодинамики и водного баланса организма.
Методика
позволяет
оценивать
перераспределениея
жидкости,
а
также
циркулирующей и депонированной крови во всех регионах, из которых состоит тело
человека. Это голова, руки, ноги и торс, состоящий из абдоминальной - AR и грудной
(центральной- CR) областей измерения, а также бристальной
области грудной клетки
(верхней её части - BR).
Определяются параметры центральной гемодинамики, например, минутный объём
большого круга кровообращения, которая обеспечивает кровоснабжение 6-ти основных
периферических регионов, составляющих всё тело пациента. Организм рассматривается,
как единая система, в которой пульсирует артериальная кровь, а также перемещается
венозная
кровь
и
интерстициальная
жидкость.
Методика
позволяет
проводить
дифференциальную оценку перемещающейся внеклеточной жидкости и крови, оценку
центрального и перераспределение регионального кровотока.
26
Рисунок. 2. Общая схема регионов исследования полисегментного
биоимпедансного анализа
В частности, системность исследований заключается и в том, что оценка
производится в единых, традиционно принятых, показателях [1,2]. Удельный объёмный
кровоток (УОК) измеряется в миллилитрах в минуту на 100 граммов ткани, а перемещение
удельных объёмов жидкости и крови (УOЖ) в миллилитрах в 100 граммах ткани [1,2].
Оценка объёмных показателей динамики жидкости и крови.
27
Изменение
объёма
жидкости
и
крови
в
области
измерения
V=VZ/Z
пропорционально её объёму и относительному изменению импеданса. Однако, вне
зависимости от объёма региона и его формы, формальное деление на величину его объёма
V, (т.е. приведение к 1 грамму тканей) и традицинное умножение на 100 граммов ткани (для
удобной оценки), позволяет нормировать происходящие в данном регионе изменения - V и
представлять их в виде удельного изменения объёма в миллилитрах в 100 граммах ткани,
т.е. V=100Z/Z. Таким образом, если нет возможности измерять объём региона в статике,
то есть возможность оперативно оценивать изменения объёмного притока жидкости и
крови в динамике. Этот приём позволяет проводить расчёт удельных изменений объёмов
жидкости в т.ч.и венозной крови, т.е. регистрировать динамику жидких фракций в тканях.
Предлагаемая методика позволяет, для всех вышеуказанных регионов (n), по
медленным изменениям импеданса, определять удельный объём жидкости (УОЖ), по
соотношению:
УОЖ(n) = k (n)  100  [ Z(n) / Z (n)]
где: k (n)
(мл  100 г.т.)
(1)
- коэффициент n-го региона, зависящий от морфологических и
анизотропных свойств областей измерения, Z(n) - медленные изменения импеданса.
. Аналогично проводится регистрация и расчёт удельного кровотока (УОК), только в
качестве переменных составляющих импеданса, используются значения амплитуд
пульсовых составляющих - Z(t), т.е. реограмм 6-ти периферических регионов.
Определение УОК бристальной области, позволяет рассчитать величину сердечного
выброса - СВ и минутного объёма крови - МОК. Для расчёта СВ проводится измерение
антропометрических данных пациента: окружности грудной клетки, расстояния между
подмышечными впадинами, между мечевидным отростком и ярёмной ямкой. По этим
данным определяется эффективный объём области измерения, являющийся эллипсоидом
вращения - V, и рассчитывается величина СВ = V  УК / 100
(мл).
Электродная система и биоимпедансные отведения.
В данной методике используется весьма комфортная электродная система,
состоящая из 4-х пар электродов, в виде стандартных "ЭКГ- клипс", на
которых
закреплены токовые и потенциальные электроды и двойного головного электрода.
Электроды размещаются: на руках (от запястья до предплечья), на ногах (в области
щиколотки) и на лобной или височных областях головы. (Рис.2.)
Для обозначения мест наложения электродов принята система, используемая в
кардиографии: правая рука - R, левая рука - L, левая нога - F, правая нога - N, голова - E.
28
Принятые характерные анатомические точки на торсе: E - уровень лобной доли головы, S уровень ярёмной ямки, M - уровень мечевидного отростка грудины , P - уровень паховой
промежности.
Аналогично электрокардиографическим "отведениям" (1-е отведение - на правой
руке и левой руке),
биоимпедансные отведения также определяют область, в которой
производятся измерения. Например, для измерения импеданса правой руки может
использоваться отведение - RS (RE / RN), где токовая цепь подключена к электродам на
правой руке (R) и голове (E), т.е. - RE, а потенциальная к электродам на правой руке (R) и
правой ноге (N), т.е. - RN. Общая часть для обоих цепей это правая рука (R), в направлении
шеи (S), т.е. "отведение - RS".
Для регистрции УОЖ и УОК в 7-ми регионах тела в приборе АГИ-01 производится
автоматическая коммутация токовых и потенциальных электродов в нужной комбинации,
тем самым обеспечивая работу в требуемых отведениях (с частотой 125 Гц, для каждого
отведения).
В результате обеспечивается измерение импедансов и регистрация реограмм,
следующих регионах:
- для головы
- отведение ES, от шеи до лобной области
- Z(ES),
- для правой руки - отведение RS, от кисти до подмышечной
- Z(RS),
- для левой руки - отведение LS, от кисти до подмышечной
- Z(LS),
- для левой ноги - отведение FP, от стопы до паховой
- Z(FP),
- для правой ноги - отведение NP, от стопы до паховой
- Z(NP).
- для абдоминального - отведение AR, от подмышечной линии - Z(NP).
29
в
Рисунок. 4. Окно мониторирования 6 регионов
Локализация областей измерения.
Основное достижение данной методики – чёткое и повторяемое разделение всего
тела на регионы, в сумме составляющие 100% его объёма.
На рисунке 5. представлен пример полисегментного измерении импеданса правой
руки. Чувствительность к изменениям импеданса (а) и эквипотенциальные уровни (б),
ограничиваются
виртуальным
внутренним
электродом,
возникающим
на
границе
расхождения токового и потенциального поля. Область измерения импеданса граничит с
бристальным регионом.
Методы комбинаторики показывают, что возможно осуществить
измерение
импедансов всех регионов, более, чем в 120 комбинациях, из которых для решения
30
поставленной задачи были выбраны только 8. Это 5 периферических - руки, ноги и голова,
и 3 торсовых региона - весь торс, абдоминальный и центральный (Рисунок2.).
31
Рисунок 5 а .
Рис 5 б.
Математическое моделирование распределения полей от токовых и потенциальных
цепей в биологическом объекте и чувствительности к изменениям импеданса внутри
региона и на его границе, позволило определить границы периферических и сопредельного
с ними торсового региона. Поверхности, разделяющие зоны измерения образуют
6
виртуальных электродов, (отмечены линиями на границах регионов).
Методика и её возможности.
После наложения электродов производится:
-
регистрация реографических данных и
анализ двух текущих "пентограмм" -
визуальных графических представлений пятерки
однородных или наиболее
важных для оперативной оценки параметров
-
анализ табличных данных и результирующих функционально - диагностических
показателей, при длительном мониторировании отображаемых в виде трендов.
37
Тренды
позволяют
наблюдать
поэтапную
регистрацию
динамических,
фармакологических или иных воздействий. Пентограммы позволяют оперативно
и
интегрально оценивать такие группы параметров, как например: 1. УК(RS), УК(LS),
УК(FP), УК(NP), УК(AR), или 2. МОК, СВ, ЧСС, ОПС, УК(TR). (Рис.6. а и 6. б).
Пентограммы рассчитаны на 5 уровней (Lim MAX, MAX, NOM, MIN, Lim MIN.),
позволяющих сигнализировать о состоянии пациента и качестве наложения электродов.
Рис 6. а.
Рис 6. б.
Пример проверки системной оценки гемодинамики.
Проведение
исчерпывающей
верификации
гемодинамики затруднительно, однако, частично,
38
данных
системного
анализа
полученные результаты могут быть
проверены "контрольной суммой", т.е. равенством
центрального и периферического
кровотока, когда минутный объём большого круга кровообращения равен сумме
абсолютных величин кровотока всех регионах МОК =  УОК(n)  V (n).
Для иллюстрации рассмотрим пример оценки результатов исследования здорового
пациента,
соответствующего
по
своим
антропометрическим
данным
среднестатистическому "условному" человеку [3].
Данные: вес - 70 кГ, рост -170см, окружность грудной клетки - 90 см, расстояние
между краями подмышечных впадин - 38см, расстояние между мечевидным отростком и
ярёмной ямкой - 24см, артериальное давление 120/80, (должная величина МОК = 5500 мл /
мин. в положении лёжа).
Результаты обследования приведены в таблице1.
Таблица1.
Параметры оценки кровотока
УК (мл/мин Vрег
Vрег
УК хVрег
Регионы
УК хVрег
х100г ткани
(%)
(г)
(мл/мин)
(%)
21,44
7
4900
1050
16,8
2. Правая рука (RS)
7,8
6
4200
327
5,2
3. Левая рука (LS)
8,1
6
4200
340
5,4
4. Правая нога (NP)
6,12
15
10500
642
10,3
5. Левая нога (FP)
6,19
15
10500
649
10,4
-----
49%
34300
3011
48,3
11,85
39
27300
3235
51,9
Вся периферия
-----
88%
61600
6246
100,3
7. Бристальный (BR)
74,1
12
8400
6225
96,7
------
100
70000
МОК
100%
1. Голова (ES)
5 регионов
6. Абдоминальный (AR)
Все тело
В графе УОК(мл/мин*100г) - полученные данные удельного кровотока, в графе V
рег(%) - процентные объёмы регионов, в графе V рег( грамм) - объём региона в граммах, в
графе УОK*V(мл.мин) - данные абсолютных объёмов регионального кровотока, в графе
УОK*V( % ) - процентный вклад объёмов регионального кровотока от общего (100%).
Из таблицы видно, что объёмный кровоток всей периферии составляет 6240 мл./мин.
(100,3%), а минутный объём крови составляет 6225 мл./мин. (96,7%). Таким образом,
получена достаточно высокая точность оценки распределения кровотока по регионам.
Работа по методике системной оценки гемодинамики.
39
Методика была апробирована при активной ортостатической пробе, т.е. переходе
пациента из положения лёжа в положение стоя, при пробе с физической нагрузкой (30
приседаний в произвольном темпе) и в периоде релаксации после нагрузки. Данные
обследования представлены в таблице 2.
Обозначения: А рео - амплитуда реограммы, Δ УОЖ - изменение удельного объёма
жидкости, а
Δ УОК - изменение удельного объёмного кровотока, относительно
предыдущего этапа измерения
Величина V (BR) = 8096 мл. - объём бристальной области. Из таблицы видна степень
перераспределение жидкости
и кровотока в каждом регионе, их величины и
направленность. При вставании и
физической нагрузке наблюдается существенное
увеличение кровотока головы, и увеличение жидкости в абдоминальном регионе. При
нагрузке значительно растёт минутный объём, но в основном за счёт пульса, а в
постнагрузке сердечный выброс снижается.
Таблица 2.
Отведение
1. ES
ES
ES
ES
2. RS
RS
RS
RS
3. LS
LS
LS
LS
4. FP
FP
FP
FP
5. NP
NP
NP
NP
6. AR
AR
AR
AR
Этап
исследования
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
ЧСС
1 / мин
64
73
115
93
64
73
115
93
64
73
115
93
64
73
115
93
64
73
115
93
64
73
115
93
Zn
Ом
34
37
38
39
128
130
129
128
133
134
133
132
99
95
96
97
98
95
96
97
18
17,5
17
16
40
А рео
Ом
0,131
0,147
0,134
0,151
0,165
0,159
0,138
0,151
0,173
0,163
0,146
0,169
0,077
0,068
0,059
0,061
0,079
0,071
0,06
0,061
0,048
0,037
0,041
0,039
Δ УОЖ
мл/100г
0
8,1081
2,6316
2,5641
0
1,5385
-0,7752
-0,7813
0
0,7463
-0,7519
-0,7576
0
-4,2105
1,0417
1,0309
0
-3,1579
1,0417
1,0309
0
-2,8571
-2,9412
-6,25
УОК
мл/100г
24,659
29,003
40,553
36,008
8,25
8,9285
12,302
10,971
8,3248
8,8799
12,624
11,907
4,9778
5,2253
7,0677
5,8485
5,1592
5,4558
7,1875
5,8485
17,067
15,434
27,735
22,669
Δ УОК
(%)
0
14,977
28,481
-12,622
0
7,5989
27,425
-12,134
0
6,2505
29,659
-6,0238
0
4,7363
26,068
-20,847
0
5,4365
24,093
-22,896
0
10,576
-44,351
22,35
Таблица 3
Отведение
7. BR
BR
BR
BR
Этап
исследования
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагр
ЧСС
1 / мин
66
75
117
95
Z (BR)
Ом
13,1
14,1
13,9
14,1
А рео
Ом
0,115
0,126
0,118
0,111
CB
(мл)
71,072
72,347
68,729
63,734
УОК
мл/100г
57,939
67,021
99,324
74,787
MOK
мл/мин
4690,7
5426
8041,3
6054,8
Также следует заметить, что УОК бристального региона (таблица 3.) прямопропорционален минутному объёму и не требует антропометрических измерений и расчёта
объёма для конкретного пациента, при функционально- диагностических воздействиях.
Анализатор гемодинамики импедансный АГИ-01.
Для реализации методики
разработан прибор - Анализатор гемодинамики
импедансный АГИ-01. Прибор выполнен в виде выносного блока измерения (Рис. 1),
располагаемого непосредственно у пациента. АГИ-01 соединён с компьютером с помощью
кабеля, длиной 3-10 метров, через который передаётся информация и обеспечивается
питание через USB порт. Кабель пациента, имеет 5 двойных проводников, длиной 1,5 метра.
На передней панели прибора имеются 5 цветных индикаторов, сигнализирующих оператору
о некачественном наложении электродов.
Прибор
обеспечивает
синхронную
регистрацию
импедансов,
реограмм
и
диффреограмм, по 6-ти каналам, их визуализацию на мониторе и автоматический расчёт
физиологических
показателей.
По
7-му
каналу
дополнительно
регистрируется
пневмограмма. Дополнительно, по 8-му каналу регистрируется электрокардиограмма в 1-м
отведении. ЭКГ-сигнал обеспечивает синхронизацию временных и амплитудных сигналов
для их автоматической обработки. Выделяемая пневмограмма позволяет обеспечить
компенсацию дыхания и обрабатывать сигналы реограммы, располагая их на изолинии.
В предложенной методике существенно повышена точность регистрации "истинных"
реограмм и соответственно точность расчёта объёмных показателей гемодинамики, т.к.
полоса пропускания реографического сигнала расширена до нуля герц ( = ). Все
существующие приборы, для выделения пульсовых изменений импеданса используют
фильтры, с частотой среза 0,2; или 0,05 Гц. При этом постоянная времени  = 0,79 - 3,1 с.
41
Рис. 7.
На Рис.7. представлена переходная характеристика описываемой методики прямоугольная, и спадающая по экспоненте - ранее применяемая.
При
регистрации
реограммы
(и
уменьшается амплитуда реограммы, и
расчёте
объёмных
показателей)
немного
существенно снижается амплитуда
- Ad
диастолической волны (на +Ad). При контурном анализе значительно изменяются величины
таких показателей, как тонуса сосудов (ПТС), являющийся отношением систолической и
диастолической волн.
Для измерения спектральных параметров импеданса, т.е. дифференцированного
определения процентного состава общей, вне- и внутриклеточной жидкости (ОЖО, ВНКЖ,
ВКЖ), прибор обеспечивает работу на 3-х частотах: 10, 50 и 500 кГц. При измерении
антропометрических данных регионов (усреднённого периметра и длины) представляется
возможность расчёта интегральных показателей гидратации организма.
Выводы.
Новизна подхода к анализу гемодинамики полисегментным биоимпедансным
методом заключается в многофакторном системном подходе к основным её составляющим:
-
разработана
методика
одновременного
мониторирования
параметров
кровообращения периферических регионов, составляющих всё тело человека;
- предложена единая система оценки изменений содержания жидкости и крови в
удельных объёмных показателях;
42
-
разработан новый метод определения сердечного выброса с электродов,
расположенных на дистальных частях конечностей;
- существенно повышена точность регистрации неискаженных низкочастотной
фильтрацией реограмм и расчёта объёмных показателей гемодинамики;
- применена удобная, минимизированная электродная система;
- обеспечена помехозащищённость от двигательных и дыхательных артефактов и
некачественного наложения электродов;
-
обеспечивается
оперативный
контроль
процессов перераспределения жидкости
интенсивности
и
направленности
и кровотока между основными
регионами тела человека;
Литература.
1. В.Байер. Биофизика. 1962.
2. В.Фолков Кровообращение. Москва. Медицина 1976.
3. Человек. Медико-биологические данные. Москва. Медицина. 1977.).
4. Николаев Д.В., Похис К.А., Цветков А.А., Смирнов А.В. Способ региональной
биоимпедансометрии. 2001. Патент РФ № 2204938.
5. Николаев Д.В., Туйкин С.А., Балуев Э.П. Способ региональной биоимпедансомет
рии и устройство для её осуществления. 1996. Патент РФ № 2094013.
6. Nikolaev D., Smirnov A., Tsvetkov A., Pokhis K. Polysegmental bioimpedance method
for adiposity investigation // J. Med. Res. 2003. 28(5): 334
43