ГЛАВА 3. БИОИМПЕДАНСНЫЙ АНАЛИЗ

О способности тела человека проводить электрический ток было известно уже более ста лет назад. В зависимости от своего состава органы и ткани организма имеют разную электропроводность. На этих различиях основан метод биоимпедансного анализа, впервые описанный в 1880 г. Вильямом Томсоном как потенциально безопасный, удобный и точный способ измерения электрической проводимости тела. Первые теоретические результаты по изучению электрических свойств биологических тканей были получены в первой половине 20 века. Тогда были установлены и частично объяснены механизмы зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости биологических жидкостей и клеточных суспензий от частоты тока. С этими достижениями связаны, прежде всего, имена Г. Фрике, К. Коула, Х. Швана. В те же годы были сформулированы базовые теоретические принципы биоимпедансного анализа и сконструированы первые измерительные приборы для определения импеданса клеток и тканей организма. В середине 1930-х годов в России выпускался аналогичный прибор (СТ-1) для определения коэффициента поляризации живых тканей как отношения их электрического сопротивления на частоте 10 кГц и 1 MГц (Е. В. Бурлакова и др., 1983). Одна из электрических схем такого устройства была предложена Б. Н. Тарусовым в описании изобретения к авторскому свидетельству “Способ определения регенеративной способности животных тканей” в 1941г. Практическое использование метода для определения состава тела началось в 1960-х годах во Франции в работах А. Томассета (А. Thomasset, 1962).

Важным свойством биологических тканей является зависимость их относительной диэлектрической проницаемости и удельной проводимости от частоты тока[8]. В этом смысле говорят, что биологические ткани обладают дисперсией (Х. П. Шван, К. Р. Фостер, 1980). На рис. 58 показан типичный график относительной диэлектрической проницаемости e мышечной ткани как функция частоты f. Данная зависимость характеризуется наличием трёх различных механизмов релаксации (областей дисперсии), обозначенных на рис. 58 как a, b и g. С точки зрения биоимпедансного анализа наиболее интересна область b- дисперсии, соответствующая частоте тока от 1 кГц до 100 МГц (низкочастотный радиодиапазон). Аналогичная зависимость от частоты имеет место и для удельного электрического сопротивления.

Рис. 58.Относительная диэлектрическая проницаемость мышечной ткани в зависимости

от частоты тока (Х. П. Шван, К. П. Фостер, 1980)

Основными проводниками электрического тока в организме являются ткани, обладающие высоким содержанием воды с растворёнными в ней электролитами (проводимость биологических тканей имеет ионный характер; в отличие от металлов очищенная вода не проводит электрический ток). В табл. 13 приведены типичные значения удельного электрического сопротивления биологических тканей для наиболее часто используемой в медицинской диагностике частоты тока 50 кГц. По сравнению с другими тканями организма жировые и костные ткани имеют низкую электропроводность. Различия удельного сопротивления объясняются прежде всего разным содержанием жидкости и электролитов в органах и тканях.

Таблица 13

Типичные значения удельного электрического сопротивления биологических тканей (Х. П. Шван, К. П. Фостер, 1980; Уэбб, 1991)

Удельное сопротивление биологических тканей, определяемое для заданной частоты тока, может существенно изменяться под влиянием физиологических и патофизиологических факторов: почек и лёгких – при различном крове- и воздухонаполнении, мышечных тканей – при различной степени сокращения мышц, крови и лимфы – при изменении концентрации белков и электролитов, очагов повреждения (по сравнению с нормальной тканью) – в результате отёков или ишемий различной природы, опухолей или других причин (С. Уэбб, 1991). Это позволяет использовать биоимпедансный анализ в целях количественной диагностики различных заболеваний, а также для выявления изменений в тканях, вызываемых лекарственными, ортостатическими, физическими и другими нагрузками.

Названия и обозначения величин, непосредственно измеряемых при биоимпедансометрии, заимствованы из теории электрических цепей переменного тока. Импедансом (Z) называют полное электрическое сопротивление тканей. Эта величина имеет две компоненты: активное (R) и реактивное сопротивление (X). Активное, или омическое, сопротивление характеризует способность тканей рассеивать электрический ток. Реактивное сопротивление характеризует смещение тока относительно напряжения, происходящее главным образом благодаря ёмкостным свойствам клеточных мембран, способных в течение некоторого промежутка времени хранить на своей поверхности электрический заряд. Этот процесс практически не связан с выделением мощности.

Для измерения электрической проводимости тела используют приборы, называемые биоимпедансными анализаторами. В зависимости от набора используемых частот переменного тока существующие анализаторы относят к одночастотным (измерения проводят на одной частоте, как правило, равной 50 кГц – в этом случае реактивная компонента импеданса тканей мышц близка к максимальной), двухчастотным или многочастотным (используется несколько частот переменного тока в широком диапазоне – от 1 кГц до 1,3 MГц). В последнем случае метод имеет название биоимпедансной спектроскопии. Соответствующий диапазон частоты тока показан в виде заштрихованной части оси абсцисс на рис. 58.

При увеличении частоты зондирующего тока полное электрическое сопротивление биологических тканей снижается. В рассматриваемом интервале частоты переменного тока это объясняется увеличением проницаемости клеточных мембран. В случае токов низкой частоты (50 кГц или менее) поток электричества в ткани проходит главным образом через межклеточную жидкость. При более высокой частоте тока (100 кГц и выше) потоки электричества через межклеточную жидкость и внутриклеточное пространство становятся сравнимыми по величине. Поэтому для оценки клеточной массы тела (составляющей примерно 3/4 от общей) в двухчастотном методе используют проводимость на более высокой частоте, а внеклеточной массы тела – на более низкой частоте. Помимо оценки объёма внутриклеточной жидкости и возможностей по изучению состава тела в многокомпонентных моделях, биоимпедансная спектроскопия позволяет исследовать ограничения одночастотного метода. В работе (L. S. Ward, Stroud, 2001) было показано, что точность метода может быть существенно повышена при использовании характеристической частоты, соответствующей максимуму реактивного сопротивления тканей. Оцененные в указанной работе значения характеристической частоты составили 29 и 37 кГц для мужчин и женщин соответственно.

Таблица 14

Некоторые формулы для определения состава тела на основе биоимпедансометрии

(по K. J. Ellis, (2000) с добавлениями)

Чаще для определения на основе биоимпедансометрии состава тела (сюда входят объёмы водных секторов организма, жировая и безжировая, а также клеточная масса тела и масса скелетных мышц) используют формулы, в которых участвует активное сопротивление R (табл. 14). В основе таких формул – простое выражение для электрического сопротивления однородного изотропного проводника постоянного сечения, поперечные размеры которого много меньше его длины:

R = r l / S = r l ² / V,

где l – длина, S – площадь поперечного сечения, V – объём, r – удельное сопротивление проводника. Трудность использования указанного соотношения состоит в том, что биологические ткани по своему составу неоднородны и обладают анизотропией. Например, известно, что проводимость мышц зависит от взаимной ориентации направления тока и мышечных волокон (L. A. Geddes, L. E. Baker, 1967). Кроме того, площадь поперечного сечения тела вдоль его длины сильно варьирует в зонах, наиболее интересных для анализа. Импеданс конечностей составляет в норме около 90-95 % импеданса всего тела (типичные значения импеданса руки от запястья находятся в интервале 100-350 Ом, ноги от голеностопа – 100–300 Ом), а туловища, масса которого составляет около 50 % массы тела, – лишь 5–10 % от общего импеданса (20-60 Ом) (L. W. Organ et al., 1994; D. Bracco et al., 1996; F. Zhu et al., 1998). Для повышения точности метода некоторые формулы наряду с характеристиками импеданса и длины тела содержат и другие показатели, такие как пол, возраст и вес (см. табл. 2), а также линейные размеры тела. Для оценки параметров регрессионных зависимостей при определении объёма водных секторов организма и клеточной массы тела в качестве эталона обычно используют методы разведения изотопов и измерение естественной радиоактивности всего тела, для определения жировой и безжировой массы тела – гидростатическую денситометрию, двухэнергетическую рентгеновскую абсорбциометрию и четырёхкомпонентные модели состава тела. Недавно для биоимпедансометрической оценки массы скелетной мускулатуры в качестве эталона были использованы результаты магнитно-резонансной томографии (I. Janssen et al., 2000). Характерной особенностью формул для определения состава тела на основе биоимпедансометрии является их популяционная специфичность. Это означает, что, вообще говоря, эти формулы применимы лишь для популяций, аналогичных тем, для которых они были построены.

Рис 59.Фазовый угол

Важной характеристикой электрической проводимости тканей является отношение их ёмкостного и активного сопротивлений (рис. 59)

tg j = X_C / R.