 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Основы метода импедансной реографии 12
Л.П. Сафонова, И.А. Кудашов МОДЕЛИРОВАНИЕ, АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ СИГНАЛОВ ИМПЕДАНСНОЙ РЕОГРАФИИ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Биофизика"
Москва ВВЕДЕНИЕ
Физиологические изменения электропроводности биологических тканей обусловлены, в первую очередь, колебаниями кровенаполнения в процессе дыхания, за счёт насосной функции сердца и при регуляции сосудистого тонуса. Для исследования указанных изменений широко применяют метод импедансной реографии (реоплетизмографии). Импедансная реография (реоплетизмография) – метод графической регистрации изменения импеданса исследуемого сегмента, органа или ткани при изменении его кровенаполнения, например, под действием пульсового кровенаполнения, на частоте в диапазоне от 50 кГц до 200 кГц силой тока 1-3 мА. Зондирование биологических тканей высокочастотным переменным током (50 кГц – 1 МГц) практически исключает ёмкостную составляющую импеданса тканей, упрощая оценку физиологических параметров, параметров кровенаполнения, при решении обратных задач. Импеданс контакта «электрод-кожа» падает примерно в 100 раз при увеличении частоты тока от низких значений (десятки Гц) до 100 кГц. Однако, при частотах выше 500 кГц сглаживаются различия в электропроводности крови и окружающих тканей, что снижает информативность метода импедансной реографии («реос», греч. – поток), снижает точность регистрации пульсового кровенаполнения и определения реографических параметров. На низких частотах зондирующего тока усиливаются неприятные ощущения пациента. Минимум порога чувствительности приходится на частоту примерно 30 Гц. С увеличением частоты повышается порог чувствительности. Неприятные ощущения отсутствуют при частотах зондирующего тока выше 20 кГц. Значение силы тока определяется требуемым значением отношения сигнал/шум и допустимыми плотностями тока, не вызывающими нежелательных эффектов в виде реакции нервных и мышечных волокон и других. Метод импедансной реографии позволяет дать характеристику артериальному кровенаполнению исследуемого участка тела, состоянию тонуса и эластичности артериальных сосудов, оценить венозный отток, состояние коллатерального кровообращения и микроциркуляции. Билатеральные исследования позволяют установить наличие обструкции кровотока при асимметрии реографических данных. При анализе реографических сигналов определяют несколько десятков временных, амплитудных параметров, дифференциальных, интегральных параметров и относительных индексов. Для выявления информативности отдельных параметров и их комплексов помимо вероятностно-статистических методов анализа накопленных в процессе реографических исследований клинических данных применяют методы имитационного моделирования кровообращения и механизмов формирования реографических сигналов. Физическое моделирование с помощью гидродинамических стендов существенно более трудоемко и затратно, по сравнению с имитационными математическими моделями. В основе имитационного математического моделирования лежит феноменологическое сходство гемодинамических процессов с процессами протекания электрического тока по форме уравнения, связывающего основные параметры переноса: объёмный кровоток и разность давлений для гемодинамики (закон Пуазейля), ток и напряжение для электрической цепи (закон Ома). Импедансная реография широко используется для измерения большого числа параметров кровотока, однако при максимальном упрощении рассматриваемого биологического объекта, точность метода низка. Современные исследования в импедансной реографии направлены на повышение точности расчётных параметров кровотока за счёт эмпирических коэффициентов, учитывающих индивидуальные конституциональные особенности испытуемого, за счёт усложнения модели биологического объекта и биофизической модели формирования сигнала реограммы.
Цель работы: освоение имитационного подхода при моделировании механизмов формирования сигналов импедансной реографии на примере реовазографии, освоение методов анализа сигналов для решения обратных задач: оценки информативности реовазографических параметров и расчёта физиологических параметров. Задачи работы: 1) составить эквивалентную электрическую схему периферического кровообращения конечности, используя теоретическую часть методических указаний к лабораторной работе; 2) промоделировать изменение объёма крови и импеданса конечности при пульсовом кровенаполнении c помощью составленной эквивалентной электрической схемы в среде «Microcap» в соответствии с материалом методических указаний; 3) определить чувствительность параметров моделируемого сигнала импедансной реовазограммы к заданным изменениям параметров эквивалентной электрической схемы, имитирующим соответствующие изменения гемодинамических параметров сосудистого русла и сосудистые заболевания; 4) проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы.
Основы метода импедансной реографии
Упрощённая модель биологического объекта для вывода основного реографического уравнения была предложена Swanson ещё в 1976 году. В основе лежит представление исследуемого участка тела, например, нижней конечности, в виде цилиндра (рис. 1). При этом были приняты следующие допущения: 1) распределение артерий, кровенаполнение, по исследуемому объёму тканей равномерное, что может сильно нарушаться при патологии; 2) удельное сопротивление крови (ρкр) постоянно; в действительности ρкр уменьшается при движении крови по сосудам, зависит от величины гематокрита (объёмного процентного содержания форменных элементов в единице объёма крови) и частоты зондирующего тока; для частоты тока порядка 100 кГц ρкр составляет 1,35-1,5 Ом×м; 3) линии тока параллельны артериям, т.е. оси модельного цилиндра; области суставов, где нарушается третье допущение, при измерениях не затрагиваются.
а) б) Рис. 1. Схемы наложения электродов при биполярной (а) и тетраполярной (б) импедансной реографии
Различают биполярную и тетраполярную импедансную реографию. В биполярной реографии используют два электрода (рис. 1, а) для пропускания переменного тока через участок биологической ткани или органа и для измерения импеданса разности потенциалов исследуемого участка (разности потенциалов). При тетраполярной схеме измерений (рис. 1, б) применяют четыре электрода, два из которых – токовые (зондирующие), два других – измерительные. Биполярная методика дешевле и проще в реализации и практическом применении, однако, имеет следующие недостатки: - плотность тока в тканях выше вблизи электродов, чем на удалении, что вызывает вклад импеданса тканей вблизи электродов в общий измеряемый импеданс с бóльшим весом, чем вклад импеданса других, более удалённых тканей и вносит дополнительную погрешность в расчётные параметры; - пульсации крови в тканях помимо соответствующих изменений импеданса тканей в измерительном объёме вызывают также значительные артефактные изменения импеданса контакта «электрод-кожа»; разделить эти два эффекта в большинстве случаев не представляется возможным. При тетраполярной методике исследуемый участок органа или ткани находится между измерительными (кольцевыми) электродами, где плотность линий тока равномерна и влияние искажений линий поля вблизи токовых электродов минимально. Влияние пульсаций крови на импеданс контакта «электрод-кожа» в этом случае на порядок меньше, чем при биполярной методике. Для уменьшения двигательных артефактов в сигнале используют неполяризующиеся электроды. В импедансной реографии для определения параметров кровотока чаще применяют тетраполярную методику регистрации. При этом отношение расстояния (l) между измерительными электродами к расстоянию (L) между токовыми электродами, как правило, не превышает 0,6 (l/L£0,6) для обеспечения необходимой точности измерения параметров кровотока при учёте других источников погрешности.
Согласно схеме рис. 2, общий импеданс исследуемого участка, конечности, (Z) определяется как
Продифференцируем выражение (1) по времени. В процессе исследований, в том числе под действием пульсового кровенаполнения, составляющая Zтк не изменяется, то
где Zкр рассчитывается по формуле однородного проводника.
где под l понимают размер зондируемой области, например, определяемый расстоянием между кольцевыми измерительными электродами, наложенными на нижнюю конечность – ногу человека – при тетраполярной импедансной реографии; S – эквивалентная площадь сечения кровеносных сосудов V – объём крови в исследуемой области; ρкр – удельное сопротивление крови человека. Подставив выражение (3) в выражение (2), получим
Выражение (4) называется основным реографическим уравнением, позволяющим оценивать изменения объёма крови по измеряемым значениям электрического импеданса исследуемого участка тела и изменениям импеданса во времени, например, под действием пульсового кровенаполнения. Уравнение (4) требует введения поправочных коэффициентов в случае невыполнения принятых при выводе допущений, когда форма исследуемого участка далека от цилиндрической, участок не однороден по своим пассивным электрическим свойствам, электроды не являются кольцевыми, схема наложения электродов не соответствует симметричной тетраполярной схеме и т.д. Выражение (4) может быть использовано при любых частотах воздействующего тока. При частотах зондирующего тока 50 кГц – 200кГц, используемых в импедансной реографии, влияние поляризационных эффектов мало, и биологические ткани можно рассматривать в виде активного сопротивления. В этом случае в выражении (4) вместо импеданса Z используют близкие по величине значения активного сопротивления R и его изменения во времени dR.
12 |
Основной задачей метода реографии является определение изменения объёма крови в исследуемом участке тела вследствие пульсового кровенаполнения. Зависимость между изменением объема крови в исследуемом участке (dV) и изменением электрического импеданса (dZ) этого участка при зондировании электрическим током допустимых частоты и величины называется основным реографическим уравнением. При выводе данного уравнения делается допущение, что общий импеданс (здесь и в дальнейшем имеется ввиду электрический импеданс) исследуемого участка тела, конечности, может быть представлен в виде параллельного соединения двух составляющих (рис. 2): переменного импеданса (Zкр) и постоянного импеданса (Zтк). Значение Zкр определяется объемом и пассивными электрическими свойствами крови в исследуемом участке. Значение Zтк при фиксированных параметрах зондирующего тока отражает импеданс всех других тканей (жировой, мышечной и др.) без учета их кровенаполнения.
. (1)
, (2)
, (3)
;
. (4)