Вимірювання імпедансу

Вимірювання імпедансу біологічних тканин

Вимірювання імпедансу (повного комплексного опору змінному електричному струму) тканин живих організмів має велике практичне значення для діагностики та науково-медичних досліджень. На вимірі імпедансу заснований метод імпедансної реографії, за допомогою якого реєструються зміни повного електричного опору досліджуваної ділянки тіла або органу, залежного від кровонаповнення судин, з метою оцінки функціонального стану серцево-судинної системи та виявлення прихованої патології, як один з методів експрес - діагностики .

Розвитком методів реографії є реоплетизмографія, що застосовується переважно при дослідженні загальної гемодинаміки та закономірності перерозподілу крові організму. За допомогою методу реоплетизмографії, в основі якого лежить принцип реєстрації зміни опору досліджуваного органу, досліджуються відносно повільні зміни обсягу органу або ділянки тіла, пов'язані з загальними коливаннями кровонаповнення в результаті зміни тонусу судин або утруднення відтоку крові, а також під впливом температурних факторів, фармакологічних засобів, рефлекторних і тестових впливів.

Поверхневий імпеданс шкіри є й ключовою змінною для контролю за трансдермальним введенням лікарняних препаратів. Динамічне вимірювання імпедансу шкіри пропонує точне і практичне рішення для оптимальної доставки лікарського засобу.

Біоімпедансний аналіз заснований на вимірюванні електричної провідності різних тканин тіла для оцінки водних секторів організму, а також і інших компонентів складу тіла, При проходженні через тканини змінного струму, що змінюється за гармонійним законом :

I (t) = I₀  cos ( ω t + φ₀  ),

падіння напруги на біологічній тканині буде теж гармонійне з фазовим зсувом φ :

U (t) = U₀  cos (ωt + φ₀ + φ(ω)).

Величиною, що визначає співвідношення між напругою і силою змінного струму, є імпеданс - повний комплексний електричний опір ланцюга змінному струму.

Біологічні мембрани (і, отже, весь організм) мають ємнісними властивостями, у зв'язку з цим повний опір тканин організму визначається тільки омічним і ємнісним опорами. Наявність в біологічних системах ємнісних елементів підтверджується тим, що сила струму випереджає по фазі  напругу, що прикладена. Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити життєздатність тканин організму.

Подразнююча дія електричного струму на тканини організму обумовлена зміщенням тканинних іонів з рівноважного положення , причому максимальне зміщення іонів залежить від частоти змінного струму. При низькій частоті ( близько 50-100 Гц) зміщення іонів достатні, щоб викликати зміни їх концентрацій по обидві сторони клітинної мембрани , що супроводжуються подразнюють клітку. При середніх частотах (100-5000 Гц) подразнюючу дію струму зменшується. При досить високій частоті ( порядку сотень кГц) зміщення іонів стають настільки малими і порівнянними зі зміщенням при тепловому русі , що вже не викликають помітної зміни їх концентрацій і не мають подразнюючої дії .

Схема вимірювання імпедансу Z (ω) наведена на рис.1

 

 

Рис.1 Схема вимірювання імпедансу

За допомогою генератору на вхід подається гармонійний сигнал частотою  ω, вхідні та вихідні напруги та імпеданс можуть бути представлені у комплексному вигляді.

         Модуль імпедансу розраховується через амплітуди вхідного та вихідного сигналів, а аргумент через фазовий зсув вихідного та вхідного сигналів. Методами цифрової обробки сигналів ці обчислювання  виконуються приладом, функціональна схема якого приведена на рис. 2.

 Рис. 2 Функціональна схема приладу

Реографія - це діагностичний метод, який полягає в реєстрації залежності від часу імпеданса ділянки тканин.

Імпеданс - це повний опір даної ділянки тіла змінному струмові.

Графік залежності зміни активного опору ділянки від часу називається реограмою (реоплетизмограмою), а прилад для реєстрації реограм називається реографом.

Як показує експеримент, для біологічних тканин харак­терні великі значення кута зсуву фаз між силою струму і напругою, причому сила струму випереджає за фазою на­пругу. Це свідчить, що частка ємнісного опору в біологічних об'єктах значна. Наведемо деякі значення кута зсуву фаз  при частоті  для різних біооб'єктів:

Як правило, індуктивністю біологічних об'єктів нехту­ють (при частотах  і вважають, що їхній імпе­данс дорівнює геометричній сумі активного R і ємнісного  опорів. Для характеристики пропускання струму живими клітинами використовують еквівалентні схеми, тобто такі комбінації С і R, які можуть моделювати електричні пара­метри біологічних тканин.

Методи вимірювання імпедансу біотканин можуть бути ефективними в 2-х напрямках експлуатаціі:

- При вивченні фізичних властивостей, складу і структури тканин;

- При вивченні змін, пов'язаних з фізіологічними процесами в організмі.

II-ий напрямок якраз характеризує можливості таких методів для фізіологічних досліджень, пов'язаних з реєстрацією процесів і медико-біологічних показників, які відображають стан організму. При виконанні електрофізіологічних досліджень цього типу потрібно враховувати ряд особливостей, пов'язаних з вимірюванням електричних параметрів біотканин "і, в т.ч., те, що:

- Електричний опір біотканин на змінному струмі менш, ніж на постійному; воно тим менше, чим більша частота струму;

- При використанні мостових схем вимірювання потрібно використовувати засоби компенсації реактивної та активної складових імпедансу;

- Складові імпедансу биотканин можливо вважати постійними лише при щільності струму, що не перевищують 10 Мка / см *, при великих величинах струму біотканинин поводиться як нелінійний провідник струму;

- При обмеженні щільності струму приймається, що при постійному значенні імпедансу фізіологічний стан не змінюється, а зміни імпедансу пов'язані зі змінами фізіологічного стану.

Останній висновок містить неточність, так як імпеданс залежить не тільки від фізіологічного стану, але ще й від маси факторів, які супроводжують процес дослідження: параметрів зовнішнього середовища, якості електродів і контактної рідини і т. П.

Для вимірювання імпедансу биоткани її потрібно підключити до джерела зовнішнього електричного струму. Підключення проводиться за допомогою електродів, що встановлюються назаблаговременно вибраних ділянках поверхні тіла. Залежно від способу ізмереніячісло одночасно використовуваних електродів, а отже, і схема вимірювань Виміряна величина імпедансу дозволяє судити про стан шкірного покриву і протікають у ньому фізіологічних процесах, в першу чергу пов'язаних з кровообігом в шкірі. У той же час для діагностики кровопостачання шкіри важливим є дослідження фізіологічних процесів в підшкірних тканинах. Підшкірні тканини умовно вважаються однорідними, а їх електричний опір значно менш опору шкіри, тому двохелектродна схема не дозволяє досліджувати ці процеси.

Вимірювання опору підшкірних тканин ймовірно при чотириелектродному підключенні біооб'єкту до вимірювальної схемою, яке дозволяє реалізувати так званий тетраполярная спосіб вимірювання імпедансу. У цьому варіанті на досліджувану ділянку накладаються 4 електроди. 2 з них служать для підведення струму і з цієї причини підключені до зовнішнього генератору змінної напруги Up. 2 інших електрода є вимірювальними - до них підключається вимірювальний прилад V - вольтметр.

Розвиток імпедансометричні методів призвело до створення нового підходу до дослідження внутрішньої структури біооб'єкту-методу імпедансной томографії. Незважаючи на великі переваги цього способу біологічної інтроскопії (відносна простота виконання досліджень, безпека для пацієнта та ін.), Практичного використання в клініках цей спосіб поки не придбав зважаючи на низку принципових недоліків, серед яких основним є низька роздільна здатність. Дослідження в цьому напрямку тривають.