БИОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В
ОЦЕНКЕ БАЛАНСА ЦЕРЕБРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ: ПЕРВЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Николаев1 Д. В., Бобринская2 И.Г., Смирнов1 А.В. Билалова2 Э.Ф., Пушкин1 С.В.
НТЦ "Медасс"1, МГМСУ2.
Многочастотные
измерения
трансцефального
импеданса
могут
эффективно
обнаруживать цитотоксический отек в ткани мозга и могут быть использованы для
раннего обнаружения угрожающего повреждения мозга (1).
Модель биологической ткани как суспензии клеток (рис.1,А) использовалась на
протяжении 80 лет для приблизительного описания зависимости электрического
импеданса от частоты. Биологическая ткань состоит из агрегации клеток в проводящей
жидкости [6], и электрический импеданс зависит от параметров клеточной структуры.
Электрический эквивалент суспензии сферических клеток показан на рис.1,Б, где Re
отражает активное сопротивление межклеточного пространства, Ri - внутриклеточного
объема, Cm - емкость клеточных мембран.
А)
Б)
Рис.1. Суспензия сферических клеток (А) и её эквивалентный электрический контур
(Б).
Клеточный
отек
подразумевает
перераспределение
внутри-
и
внеклеточной
жидкостей, приводящее к изменению размера клеток и, как следствие, к изменениям в
структуре ткани. Это является причиной изменений электрического импеданса ткани.
Такая модель может быть использована для определения оптимального диапазона частот с
целью эффективного обнаружения набухших клеток.
Результаты математического моделирования сравнивались с данными эксперимента,
заключавшегося в инвазивном измерении импеданса мозга поросят: до, во время и после
гипоксии. Была использована 2-х мерная математическая модель биологической ткани как
суспензии сферических клеток в проводящей жидкости [6].
Новорожденные поросята в возрасте 1-4 дней были подвергнуты анестезии
кетамином/хлоралозом и вентиляции для поддержания нормального состава газов в крови.
ЭЭГ и трансцефальный импеданс записывались вместе с артериальным давлением крови и
частотой сердечных сокращений. После одного часа контрольного периода в течение 45
минут была установлена жесткая гипоксия путем снижения доли кислорода во вдыхаемой
газовой смеси до 6%. ЭЭГ отреагировала быстрым снижением активности и
изоэлектрическая ЭЭГ поддерживалась 45 минут. В последующие 16 часов кислород
добавляли в газовую смесь для поддержания нормальной оксигенации.
В углублении волосистой части головы было просверлено четыре трепанационных
отверстия для серебряных стержневых электродов диаметром 2,5 мм. Электрический
импеданс
измеряли
с
использованием
экспериментального
тетраполярного
импедансометра. Активное и емкостное сопротивления измеряли в диапазоне частот от 20
до 750 кГц.
Полученные результаты, как теоретические (рис.3 и 5), так и экспериментальные
(рис.4 и 6), доказывают, что импеданс зависит от размера клеток.
Рис.3.
Рис.4.
Рис.3. 2-мерный график Cole для суспензии сферических клеток. Диапазон частот от 0 до
750 кГц.
Рис.4. График Cole для трансцефального электрического импеданса поросят во время
индуцированной гипоксии. Диапазон частот от 20 до 750 кГц.
Оба графика (рис. 3 и 4) показывают аналогичные тенденции: вместе с увеличением
радиуса клеток увеличивается их размер; одновременно идет сдвиг графика вдоль оси
сопротивления. Поведение величины активного сопротивления модели в зависимости от
размера клеток в выбранном диапазоне частот также согласуется с измеренными данными
(рис. 5 и 6). Примечательно, что объемный фактор концентрации клеток, f, равен 0,75; 0,80
и 0,85 для значений радиуса, равных 5,0; 5,17 и 5,33 мкм, соответственно.
47
Рис.5.
Рис.6.
Рис.5. Эффективное сопротивление суспензии клеток в зависимости от их радиуса для
ряда частот.
Рис.6. Изменения сопротивления во время возбуждения клеток при трансцефальном
измерении импеданса во время гипоксии поросят.
Из результатов хорошо видно, что теоретические и экспериментальные результаты
хорошо согласуются: во время гипоксии импеданс уменьшается на частоте около 750 кГц,
а на низких частотах - возрастает.
Проблема эффективного лечения повреждений головного мозга очень тесно связана с
возможностью получения информации о процессах, происходящих в мозге в мониторном
режиме. В настоящее время такой мониторинг возможен для оценки внутричерепного
давления (инвазивным методом) и оценки мозгового кровотока на основании
реоэнцефалографических измерений
Инвазивность методов контроля уменьшает
возможность использования их в рутинной практике, поэтому при лечении любых
повреждений мозга (ЧМТ, ОНМК и др.) возникают трудности, что подчеркивает
необходимость
разработки
неинвазивных
методов
оценки
динамики
процессов,
происходящих в мозге при проведении терапии.
Данные по неинвазивной оценке частотной зависимости модуля импеданса тканей
головы были получены на контингенте добровольцев-студентов (66 человек, 20-24лет, 18
мужчин, 48 женщин) в положении лежа на спине. Измерения проводились Анализатором
оценки баланса водных секторов организма АВС-01 «Медасс» (программа для 6частотного
анализа
АВС01-0212).
Стандартные
концентрические
реоэнцефалографические электроды накладывались на лоб и основание черепа.
Первичная обработка данных заключалась в
вычислении отношения модулей
импедансов Z на 50 и 500кГц – на линейном участке бета-дисперсии этого параметра.
Величина отношения Z на частоте 50 кГц к Z на частоте 500кГц пропорциональна
отношению клеточного и внеклеточного объемов жидкости исследуемого участка тканей.
Область распространения зондирующего тока захватывала не только внутричерепное
48
пространство, но и фрагменты костной ткани, залегающей глубже 5 мм от поверхности
электродов, и элементы тканей носоглотки.
Процедура измерений занимала от 3,5 до 5 минут: ввод фамилии пациента в базу
данных программы, наложение двух электродов и собственно измерения, длившиеся от
одной до полутора минут.
На рис.7 приведена типичная частотная зависимость модуля импеданса области
измерений с нормировкой на величину Z(500 кГц).
Рис.7. Частотная зависимость модуля импеданса
На рис.8 приведена гистограмма параметра Z(50 кГц) / Z(500 кГц) для здоровых
людей. Аппроксимация гистограммы нормальной функцией дала среднюю величину
параметра Z(50 кГц)/Z(500 кГц) равную 1.29 со среднеквадратическим отклонением 0.03.
Таким образом, для 95% условно здоровых людей значения этого параметра лежат в
достаточно узком диапазоне величин 1,2-1,38.
49
Рис.8. Гистограмма параметра Z(50 кГц)/Z(500 кГц) и ее аппроксимация
Тот же параметр, полученный у пациентов отделения нейрореанимации (18
человек с ЧМТ, послеоперационным отеком, ишемичеокими повреждениями головного
мозга, ), показал значения в диапазоне от 1,193 до 2,017, из которых в диапазон «условной
нормы» отстоящей от 1,29 на величину от 2 до 3 средеквадратических отклонений попало
2 пациента, а от 1 до двух 3 пациента. В диапазоне +- одного СКО данный параметр
пациентов не попал ни разу.
Тренды модулей импеданса анализированного участка головы демонстрируют
наличие слабо выраженных окклюзионных явлений поверхностных тканей головы. Это
явление, вызванное пережимом венозного русла резиновым креплением электродов,
существенного влияния на величину Z(50 кГц) / Z(500 кГц) не оказывает (сдвиг
результатов наблюдался в диапазоне 0,005-0,01).
Выводы.
1. Методика биоимпедансной спектроскопии позволяет по величине вычисляемого
программой безразмерного индекса Z(50 кГц) / Z(500 кГц) качественно определить, в
какую сторону сдвинуто соотношение клеточной и внеклеточной жидкостей в верхней и
средней частях головы.
2. Методика позволяет получить качественную и количественную оценку отклонения
величины Z(50 кГц) / Z(500 кГц) от нормальных значений, выраженную в единицах
средне-квадратического отклонения распределения данного индекса для здоровых людей.
3. По изменениям во времени модуля импеданса между электродами (как в режиме
мониторинга, так и при эпизодических измерениях, выполняемых без изменений
локализации электродов) производить качественную оценку динамики общей гидратации
тканей головы.
50
4.Использование биоимпедансной спектроскопии головного мозга в клинической
практике позволит в мониторном режиме оценивать результаты профилактики и
интенсивной терапии отека головного мозга.
Литература
1. .Fernando Seoane, Kaj Lindecrantz, Torsten Olsson, Ingemar Kjellmer Bioelectrical
impedance during hypoxic cell swelling: modeling of tissue as a suspension of cells.
Proc. XII Int. Conf. on Electrical Bio-Impedance, June 20-24, Gdansk, Poland,
p.73-76.
2. H Fricke, S Morse: “The electric resistance and capacity of blood for frequences
between 800 and 4,5 million cycles.” J Gen. Physiol., vol 9, pp.157-163, 1925.
3. KS Cole: “Electrical impedance of suspensions of spheres” J. Gen. Physiol., vol.12,
pp.29-36, April 1928.
4. HP Schawn: ”Electrical properties of tissue and cells suspensions” Adv. Biol. Med.
Phys., vol.5, pp.147-209, April 1957.
5. BJ Roth: ”The electrical conductivity of tissues” in Biomedical Engineering
Handbook: 2nd Ed, JD Brozino, Ed. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000, ch.10,
vol.1.
51