практическая реализация оценки объема клеточной

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОЦЕНКИ ОБЪЕМА КЛЕТОЧНОЙ
ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ПБИА
Капитанов1 Е.Н., Чернышева2 Н.Н., Шутов2 Е.В., Абрин3 Г.В.
НТЦ «Медасс»1, ГКБ им. С.П.Боткина2, ЦКБ №1 ОАО «РЖД»3
Широкое использование в клинической практике методов лечения, при которых
происходит существенное изменение объемов жидкости в организме, а также ряд
патологических состояний приводящих к изменению гидратации явились стимулом к
активизации решения задач по развитию методов неинвазивного контроля объемов
жидкости в организме на базе биоимпедансного анализа (БИА)[1,2].
Для определения объема внеклеточной жидкости (ВЖ) методом БИА используют
известную в электротехнике зависимость величины импеданса проводника (тканей) с его
геометрическими размерами[3]:
VВЖ = ρ · L2 ⁄ ZНЧ
(1)
где: ZНЧ – импеданс исследуемой области на низкой частоте тока;
ρ – удельное сопротивление внеклеточной жидкости;
L – длина исследуемой области;
VВЖ – объем внеклеточной жидкости.
Можно считать, что измерение VВЖ производится прямым путем, т.к. зондирующий ток
распространяется непосредственно за счет ионов внеклеточной жидкости.
Достоверное определение объема клеточной жидкости (КЖ) методом БИА производится
путем
измерения
величины
емкостной
составляющей
импеданса
тканей
(ZС),
рассчитываемой на основании величин импеданса ZНЧ и импеданса измеренного на
частоте 500 кГц.[4]:
VКЖ = ρ · L2 ⁄ ZКЛ ;
(2)
ZКЛ = k · ZС
(3)
где: ZКЛ – эквивалентный импеданс объема КЖ;
ZС – емкостная составляющая импеданса тканей;
VКЖ – объем клеточной жидкости;
k = 0,42 – коэффициент взаимосвязи ZС и ZКЛ.
В ряде работ отмечено, что ошибки в определении объемов жидкости методами БИА
возрастают
при
патологических
состояниях
сопровождающихся
значительными
отклонениями в водном балансе от величины "количественной нормы" в большую или
меньшую сторону[5]. Данный недостаток проявляется в значительном снижении или
увеличении
величин
измеряемого
импеданса
соответственно
в
гипер-
и
гипогидратированном состояниях.
Величины ошибок при контроле объемов VВЖ в условиях значительных изменений их
величин были существенно снижены за счет использования метода полисегментного БИА
(ПБИА)[1]. В частности, была достигнута точность сопоставимая с другими методами
контроля за объемом удаляемой жидкости при ультрафильтрации (УФ) при проведении
больным гемодиализа (ГД)[6]. Однако, в данной работе не приведены результаты
контроля объемов VКЖ.
Целью настоящей работы явилось совершенствование методики ПБИА, направленное на
повышение
точности
определения
объемов
клеточной
жидкости
в
гипер-
и
гипогидратированных состояниях пациента.
Материалы и методы исследования
В методах БИА объем КЖ определяется косвенным путем на основании величины
емкостной составляющей импеданса возникающей за счет электрических параметров
клеточных мембран. При этом для вычисления объема КЖ используется линейная
зависимость величин ZС и ZКЛ по формуле (3).
Величина электрической емкости мембраны клетки пропорциональна площади ее
поверхности, исходя из чего, значение емкостной составляющей импеданса ткани будет
пропорционально суммарной площади мембран клеток находящихся в исследуемом
объеме. Из этого следует, что для определения объема КЖ необходимо учитывать
взаимосвязь величины площади поверхности клетки с ее объемом. Например, если
принять форму клетки приближающейся к форме шара, то объем по ее внешней
поверхности может быть определен на основании формулы объема шара:
VКЛ = (SКЛ ⁄ 6) · (SКЛ ⁄ π)½ = k1 · SКЛ · (SКЛ)½
(4)
где: SКЛ – площадь внешней поверхности клетки;
VКЛ – объем клетки при ее аппроксимации формой шара;
k1 = (1 ⁄ 6) · π½ – постоянный коэффициент.
Для исследуемого объема ткани, исходя из формулы (4), функциональная зависимость
суммарного объема клеточной массы может быть представлена в следующем виде:
∑VКЛ = k1 · ∑SКЛ · ∑(SКЛ)½ приняв: ∑VКЛ = VКЖ; ∑SКЛ = f(С) получим:
VКЖ = k1 · f(С) · [f(С)] ½
(5)
где: f(С) – функция, отражающая свойства ткани, как электрической
емкости.
Формула (2), может быть преобразована в виде функциональной зависимости VКЖ от
величины электрической емкости исследуемой ткани следующим образом:
при ZС = f(1 ⁄ С);
VКЖ = ρ · L2 ⁄ f(1 ⁄ С) = ρ · L2 · f(С) если ρ · L2 = k2
то VКЖ = k2· f(С)
(6)
Функциональная взаимосвязь VКЖ и f(С) в формуле (5) является нелинейной и в общем
виде изображена на рис.1 в виде кривой линии (1). При этом функциональная взаимосвязь
VКЖ и f(С) в формуле (6) является линейной и на рис.1 изображена в виде прямой линии
(2). Расхождение параметров линий 1 и 2 при одном значении аргумента (величине
емкости ткани С) являются погрешностью в определении величины VКЖ.
Начало кривой (1) в идеальном случае стремиться к "0". Линия (2) в реальных условиях
пересекает ось абсцисс в точке С0, т.к. присутствует погрешность обусловленная
конечной величиной входной емкости измерительного прибора. Если задан диапазон
измерения объемов КЖ, например, от VД1 до VД2 со средним нормальным значением
VНОР, то наименьшая погрешность измерения будет при прохождении линии (2) через
точку С0 и точку на кривой (1) соответствующую значению VНОР. При этом погрешности
определения величины VКЖ, получаемые при измерении соответствующих величин
емкости С будут составлять: [≈ 0] при СНОР; [+ (VИ1 – VД1)] при СИ2; [– (VД2 – VИ2)] при
СИ2. данный характер погрешности будет выражаться завышением значений при
измерении объема КЖ > VНОР и занижением при измерении объемов КЖ< VНОР.
VКЖ
2
1
VИ1
VД1
VНОР
VД2
VИ2
С
СО
СИ2 СНОР СИ1
Рис.1 Функциональные зависимость VКЖ и величины f(С)
Нами было предложено компенсировать погрешность в измерении объема КЖ,
вызванную нелинейной зависимостью между VКЖ и ZС, путем вычисления его
действительного значения по следующей формуле:
VД = VИ · (VНОР ⁄ VИ)½
(7)
если VИ = VНОР то VД = VИ;
если VИ > VНОР
то VД = VИ · k3 = VИ – VИ · (1 – k3)
если VИ < VНОР
то VД = VИ · k4 = VИ + VИ · (k4 – 1)
где:
VД – вычисленное значение действительного объема КЖ;
VНОР – «количественная норма» объема КЖ для исследуемой области;
VИ – значение объема КЖ определенное по формуле (2);
k3, k4 – значение отношения VНОР ⁄ VИ при величине, соответственно,
меньше и больше "1".
При вычислении объема КЖ по формуле (7) за счет отношения (VНОР ⁄ VИ)½ происходит
компенсация погрешностей при величинах больше и меньше значения VНОР.
Результаты, полученные у трех больных при определении объемов КЖ по предложенной
методике, а также объемы ВЖ, УФ и общей жидкости (ОЖ) в течении процедуры ГД
приведены на рис.2÷4.
На рис.2 показано изменение объемов КЖ, ВЖ, УФ и веса в течение сеанса ГД (больная
К., 52 г, первый месяц ГД). Перед сеансом ГД объемы КЖ и ВЖ значительно превышают
значения «нормы» для данной больной. Во время сеанса ГД объемы КЖ и ВЖ монотонно
убывают и их величины стремятся к значениям «нормы», при этом дефицит объема КЖ в
течение всего времени сеанса превышает дефицит объема ВЖ.
На рис.3 показано изменение объемов КЖ, ВЖ, УФ и веса в течение сеанса ГД (больная
М., 52 г, на ГД находится 3 года). Перед сеансом ГД объем КЖ и ВЖ значительно
превышают значения «нормы» для данной больной. Во время сеанса ГД объем ВЖ
монотонно убывает, объем КЖ монотонно убывает за исключением интервала времени
между 1ч.30м. и 2ч. Дефицит объема КЖ в течение всего времени сеанса превышает
дефицит объема ВЖ.
На рис.3 показано изменение объемов КЖ, ВЖ, УФ и веса в течение сеанса ГД (больной
Б., 45 л, на ГД находится 7 лет). Перед сеансом ГД объем КЖ значительно ниже значения
«нормы», а объем ВЖ незначительно превышает значение «нормы». Во время сеанса ГД
объем КЖ уменьшается только в интервалах: 0÷30м. и 2ч÷3ч. и незначительно изменяется
в остальное время, объем ВЖ относительно монотонно убывает в течение всего времени
сеанса. Дефицит объема КЖ в течение всего времени сеанса не превышает дефицит
объема ВЖ.
ВЫВОДЫ
Определение объема КЖ методами ПБИА, на основании величины
1.
емкостной составляющей импеданса тканей, необходимо проводить с
учетом ее функциональной взаимосвязи с величиной клеточной массы в
исследуемом объеме.
Точность определения объемов КЖ при значительных отклонениях
2.
величин
объемов
от
«нормы»
существенно
повышается,
путем
компенсации погрешностей за счет умножения измеренной величины на
корневой коэффициент (VНОР ⁄ VИ)½.
Литература
1. Николаев Д.В., Пушкин С.В. Использование интегрального и
2.
3.
4.
5.
6.
полисегментного вариантов БИА при контроле за статусом гидратации в
гемодиализе.Обзор по материалам зарубежной печати. М., Материалы
седьмой научно-практической конференции: "Диагностика и лечение
нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", март 2005, 133 –
143.
Капитанов Е.Н., Шутов Е.В., Дудко М.Ю. Николаев Д.В., Абрин Г.В.
Неинвазивный метод контроля нарушений водного баланса у больных на
гемодиализе, М., Материалы пятой научно-практической конференции:
"Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой
системы", март 2003, 81 – 94.
Дудко М.Ю., Шутов Е.В., Капитанов Е.Н., Абрин Г.В., Ермоленко В.М.
Определение «количественной нормы» объемов жидкостных секторов
организма с помощью сегментарной импедансометрии. Эфферентная
терапия, 2004, т.10, №4 25-30.
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
Волков Ю.Н., Покровский В.Г., Николаева И.П., Семенов В.Н., Курапеев
И.С. Способ определения объемов жидкостных секторов организма.
Патент RU №2093069 кл.А61В5/05. 1991
Дудко М.Ю. Изменения сердечно-сосудистой системы и состояния
водного баланса у больных на заместительной почечной терапии. Дисс.
…канд. мед. наук. М. 2005; 113.
16
8
15,18 (объем КЖ)
7
13,6
12,96 норма КЖ
6
5
объем КЖ, ВЖ, л.
4
3
8,62 (объем ВЖ)
8
2
7,42
6,62 норма ВЖ
1
0
0
4
-0,75
-1,2 деф.ВЖ
-1,13
-1,49
-1
-1,5 деф. КЖ
-1,72
-2,02
-2
-2,27
-2,7 деф.ОЖ
-2,2
-2,7 деф.веса
-3
-3,0 УФ аппарата
0
-4
перед 30м
1ч
1ч30м
2ч
2ч30м
3ч
3ч30м
4ч
после
Рис.2 Изменение объемов КЖ, ВЖ, ОЖ, УФ во время ГД (б-я К.)
дефицит КЖ, ВЖ, УФ, л., деф. веса кг.
12
25 (объем КЖ)
25
10
22,88
8
20
19,36 норма КЖ
4
объем КЖ,ВЖ л.
15
12,47 (объем ВЖ)
2
10,84
10
9,89 норма ВЖ
0
0
-0,53
-1,48
-2,05
-2,04
деф.ВЖ
деф.КЖ
-2
-3,75 деф.ОЖ
-4,1 деф.веса
-4
-2,59
-2,93
5
-3,4
-4,5 УФ аппарата
0
-6
перед 30м
1ч
1ч30м
2ч
2ч30м
3ч
3ч30м
4ч
после
Рис.3 Изменение объемов КЖ, ВЖ, ОЖ, УФ во время ГД (б-я М.)
дефицит КЖ, ВЖ, ОЖ,УФ, л., деф. веса кг.
6
30
8
29,97 норма КЖ
7
25,47 (объем КЖ)
25
24,12
6
объем КЖ, ВЖ л.
20
4
3
15
2
13,54 (объем ВЖ)
13,02 норма ВЖ
1
12,01
10
0
0
-0,56
-0,68
-0,64
-0,8
деф.КЖ
-1
деф. ВЖ
5
-2
-2,08
2,72 УФ аппарата
-2,47
-2,61
-2,9 деф. веса
-3
-2,88 деф.ОЖ
0
-4
перед 30м
1ч
1ч30м
2ч
2ч30м
3ч
3ч30м
4ч
после
Рис.4 Изменение объемов КЖ, ВЖ, ОЖ, УФ во время ГД (б-й Б.)
дефицит КЖ, ВЖ, ОЖ, УФ л., деф. веса кг.
5