Способ региональной биоимпедансометрии и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицинской диагностике, использующей в качестве зондирующего сигнала переменный ток. Согласно способу производят измерение общего падения напряжения на организме, пропорционального импедансу, и на его составных частях, а импеданс исследуемого региона получают из их разности. Устройство содержит токовые электроды 1 и 2, потенциальные региональные электроды 6 и 7, потенциальные периферические электроды 8 и 9, коммутатор 15, детектор 16, аналого-цифровой преобразователь 17, блок 18 обработки и индикации и делитель напряжения. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, точнее к способам региональной биоимпедансометрии и устройствам для их осуществления.

Изобретение может быть использовано в реанимации и интенсивной терапии, в ходе оперативного вмешательства, при диагностике экстремальных состояний, для оценки эффективности нагрузочных и лекарственных проб.

В настоящее время существует проблема диагностического исследования - неинвазивного, обладающего высокой повторяемостью, точностью и оперативностью оценки физиологических параметров организма на общем и региональном уровнях.

Известен способ региональной биоимпедансометрии, осуществляемый путем пропускания через исследуемый регион организма переменного электрического тока с одновременной регистрацией падения напряжения непосредственно в данном регионе [1] Регистрация напряжения в зоне исследуемого региона позволяет получить максимальное значение полезного сигнала.

Однако фиксация электродов непосредственно в зоне исследуемого региона осложняет проведение терапевтических процедур и воздействий.

Наиболее близким техническим решением является способ региональной биоимпедансометрии, заключающийся в подаче через конечности в исследуемый регион организма зондирующего переменного тока и одновременном измерении переменного напряжения, пропорционального импедансу, вне исследуемого региона [2] Данный способ позволяет провести региональное измерение импеданса частей торса, используя только лишь наложение электродов на конечности. После последовательного измерения на двух частотах можно произвести оценку количества общей, внеклеточной и внутриклеточной жидкости.

Однако данный способ имеет малую помехозащищенность и недостаточную точность измерений, так как полезный сигнал, регистрируемый с конечностей, по которым не проходит ток, имеет малое абсолютное значение. Это обусловлено потерями в тканях организма, так как зондирующий переменный ток (I₁), проходя через ткани конечностей, имеющих величины электрического импеданса (Z₁, Z₂), ткани исследуемого региона, имеющие величину электрического импеданса (Z₃), позволяет получить сигнал, пропорциональный Z₃, но значительно ослабленный делителем, образованным распределенным импедансом тканей организма, поскольку регистрация напряжения осуществляется на конечностях, через которые не проходит ток.

Известно устройство для биоимпедансных исследований, содержащее генератор переменного тока, соединенный с электродами, к которым подключен анализатор [3] Однако данное устройство имеет низкую помехозащищенность, так как помехи, вызванные переходными процессами от прохождения тока по переходу "электрод ткань", полностью регистрируются анализатором, и низкую точность измерений, обусловленную неоднородностью электрического поля в зоне наложения электродов.

Наиболее близким техническим решением является устройство для биоимпедансометрии, содержащее последовательно соединенные коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора. К коммутатору подключены токовые и потенциальные электроды и генератор переменного тока [2] Данное устройство позволяет проводить регистрацию сигнала с ослабленным влиянием помех под токовыми электродами и с уменьшенным влиянием неоднородности электрического поля в зоне наложения токовых электродов.

Однако данное устройство позволяет производить через конечности одновременное измерение импеданса и реографических параметров в исследуемом регионе, удаленном от мест наложения электродов.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ региональной биоимпедансометрии и устройство для его осуществления, в котором за счет уменьшения влияния неинформативных электрофизиологических параметров организма на величину полезного сигнала повышается точность измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе региональной биоимпедансометрии, заключающемся в подаче через конечности в исследуемый регион организма зондирующего переменного тока и одновременном измерении переменного напряжения, пропорционального импедансу вне исследуемого региона, производят согласно изобретению измерение падения напряжения на конечностях, через которые проходит ток, и общее падение напряжения на организме, а напряжение, пропорциональное импедансу исследуемого региона, получают из разности между общим падением напряжения и напряжением на конечностях, причем, напряжение на конечностях измеряют относительно конечностей, через которые не проходит ток.

Благодаря такой схеме измерения уменьшается влияние неинформативных электрофизиологических параметров организма на величину полезного сигнала и повышается точность измерения.

Для сокращения времени исследования объемных содержаний жидкости в организме в качестве зондирующего переменного тока может быть использован ток, имеющий две гармонические составляющие.

За счет использования переменного тока с двумя гармоническими составляющими осуществляется одновременная оценка биоимпедансных измерений на разных частотах. Тем самым повышается оперативность определения баланса водных секторов.

Для сокращения времени проведения многофункциональных исследований, включающих реографические параметры, целесообразно дополнительно проводить измерение напряжения относительно точки, в которой напряжение равно половине общего падения напряжения.

Такое измерение напряжения обеспечивает возможность проведения биоимпедансных измерений относительно части исследуемого региона. Например правой или левой, верхней или нижней частей торса.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для региональной биоимпедансометрии, содержащем генератор переменного тока, к выходу которого подключены токовые электроды, последовательно соединенные коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а также региональные потенциальные электроды и периферические потенциальные электроды, соединенные с сигнальными входами коммутатора, согласно изобретению содержит делитель напряжения, включенный между региональными потенциальными электродами, выход которого соединен с дополнительным сигнальным входом коммутатора.

Такое устройство с включением делителя напряжения обеспечивает возможность без подключения дополнительных электродов к пациенту проводить биоимпедансные исследования частей торса -правой или левой, верхней или нижней.

Кроме этого, такое устройство обеспечивает сокращение времени проведения многофункциональных исследований, включающих реографические параметры.

Целесообразно, чтобы детектор содержал последовательно соединенные фильтр низких частот, вход которого является входом детектора, усилитель селективный и блок детектирования реосигнала и последовательно соединенные фильтр верхних частот, вход которого соединен с входом фильтра нижних частот и блок детектирования высокочастотного сигнала, а также блок детектирования низкочастотного сигнала, вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, причем выходы блока детектирования реосигнала, блока детектирования низкочастотного сигнала и блока детектирования высокочастотного сигнала являются выходами детектора.

Такое выполнение детектора с включением канала, образованного усилителем селективным и блоком детектирования реографического сигнала, обеспечивает возможность проведения биоимпедансометрических исследований в широком диапазоне амплитуд импеданса.

На фиг. 1 приведена эквивалентная схема замещения тканей организма при проведении биоимпедансных измерений; на фиг. 2 функциональная схема устройства для биоимпедансных измерений; на фиг. 3 функциональная схема выполнения детектора.

Способ региональной биоимпедансометрии осуществляется следующим образом.

Исходя из заданного региона исследований, токовые электроды 1 и 2 (фиг. 1) фиксируют на дистальные части конечностей 3 и 4, которые наиболее близко прилегают к региону 5 исследований. Например, при исследовании органов грудной клетки, токовые электроды 1 и 2 фиксируют на запястьях рук. Региональные потенциальные электроды 1 и 2 фиксируют на запястьях рук. Региональные потенциальные электроды 6 и 7 фиксируют относительно токовых электродов со стороны основания конечности. Периферические потенциальные электроды 8 и 9 фиксируют на дистальных частях конечностей 10 и 11, по которым не проходит ток. В случае исследования органов грудной клетки на ногах.

Производят измерение падений напряжений: U₁, U₂ и U₀ согласно схеме (фиг. 1). Напряжения U₁ и U₂ будут соответствовать падению напряжений на конечностях 3 и 4, т.е. на сопротивлениях Z₁ и Z₂ (при условии, если входное сопротивление измерителя значительно больше сопротивления тканей тела).

В дальнейшем вычитают из общего падения напряжения U₀ напряжения U₁ и U₂ на конечностях 3 и 4, получают искомую величину напряжения U₃, пропорциональную импедансу Z₃ исследуемого региона 5.

Для оценки объемных содержаний жидкости организма в качестве зондирующего сигнала используют переменный электрический ток, содержащий, как минимум, сумму двух гармонических составляющих. Частота одной из них выбирается в нижней части диапазона используемых частот, например 20 кГц, а частота второй составляющей выбирается из верхней части диапазона, например 500 кГц.

Измерив амплитуды двух частотных составляющих на основании известных методик, производят следующие вычисления: объем общей жидкости в организме (V₀); объем внеклеточной жидкости в организме (V₁); объем внутриклеточной жидкости в организме (V₂).

Данные вычисления производятся по известным формулам, например по Томассету: V₀=0,23 к L²/(Z₁+Z₃+Z₄); V₂ V₀ V₁, где L рост пациента в см;
Z₁ импеданс левой руки на высокой частоте;
Z₃ импеданс торса на высокой частоте;
Z₄ импеданс левой ноги на высокой частоте;
импеданс левой руки на низкой частоте;
импеданс торса на низкой частоте;
импеданс левой ноги на низкой частоте;
k относительный частотный коэффициент.

Измерение реографического сигнала, характеризующего гемодинамические параметры исследуемого региона 5, осуществляется следующим образом:
На пациенте дополнительно фиксируют реографический потенциальный электрод 12. Данный электрод 12 располагают в зоне, где напряжение приблизительно равно половине величины общего падения напряжения. При исследовании органов грудной клетки такой зоной может служить голова или шея пациента. Измерение двух реографических сигналов производят между конечностями 10 и 11, на которых расположены периферические потенциальные электроды 8 и 9, и реографическим электродом 12. Напряжения, зарегистрированные таким образом, будут пропорциональны реографическим составляющим правой и левой частей грудной клетки. Это обусловлено тем, что происходит регистрация падения напряжения на половинах исследуемой зоны через ткани организма, сопротивление которых значительно меньше входного сопротивления измерителя.

При исследованиях правой или левой половин туловища реографический электрод 13 фиксируют в области боковой проекции диафрагмы.

При исследованиях органов малого таза точку с напряжением, равным половине общего падения напряжения, получают с помощью делителя напряжения, включенного между региональными потенциальными электродами 8 и 9.

Пример 1. Больной С. 46 лет. Проводилось биоимпедансное исследование баланса жидкостей. Токовые электроды были зафиксированы на тыльной стороне ладоней левой руки и верхней поверхности стопы левой ноги. Потенциальные региональные электроды на запястье левой руки и проксимальнее голеностопа левой ноги. Потенциальные периферические электроды на запястье правой руки и голени правой ноги. В качестве зондирующего сигнала использовали переменный ток, содержащий сумму двух гармоник с частотами 20 кГц и 500 кГц. Величина тока составляла 1 мА. Измеряли отдельно напряжения с частотой 20 и 500 кГц.

Получили следующие величины:
общее напряжение (левая рука левая нога) 454 мВ (20 кГц), 366 мВ (500 кГц);
напряжение на левой руке 258 мВ (20 кГц), 212 мВ (500 кГц);
напряжение на левой ноге 170 мВ (20 кГц), 136 мВ (500 кГц).

Получили (по Томассету) следующие величины: V₀ 40,5 л; V₁ 15,4 л; V₂ 25,1 л.

Пример 2. Больная В. 30 лет. Проводилось послеоперационное биоимпедансное наблюдение области малого таза. Токовые электроды были зафиксированы на голенях, потенциальные региональные электроды на голенях, но проксимальнее токовых, а потенциальные периферические электроды на запястьях. Параметры зондирующего тока аналогичны, как в примере 1.

Получили следующие величины:
общее напряжение (правая нога левая нога) 166 мВ (20 кГц);
падение напряжения на правой ноге 78 мВ (20 кГц);
падение напряжения на левой ноге 76 мВ (20 кГц).

Измеряли реографический сигнал относительно делителя напряжения, включенного между потенциалльными электродами на ногах.

Получили следующие величины:
реосигнал на левой стороне 7,2 мОм;
реосигнал на правой стороне 6,1 мОм.

Измеренные величины позволили рассчитать величину асимметрии кровообращения в левой и правой частях исследуемого региона 18
Пример 3. Больной П. 45 лет. Проводились исследования по динамическому наблюдению восстановительного процесса после травмы левого бедра. Токовые электроды были зафиксированы на левой руке и голени левой ноги, потенциальный региональный электрод на голени левой ноги, потенциальные периферические электроды на правой руке и правой ноге. Параметры зондирующего тока аналогично, как в примере 1.

Получили следующие величины:
общее напряжение (левая нога правая рука) 71 мВ (20 кГц), 54 мВ (500 кГц);
напряжение на торсе (правая нога правая рука) 20 мВ (20 кГц), 13 мВ (500 кГц);
напряжение на левой ноге (разность предыдущих) 35 мВ (20 кГц), 29 мВ (500 кГц).

Асимметрия по отношению к аналогичным измерениям для правой ноги составила 12
Через 5 дн проведены повторные исследования, в результате которых показания для левого бедра составили: 41 мВ (20 кГц), 34 мВ (500 кГц).

Асмиметрия уменьшилась и по отношению к аналогичным измерениям для правой ноги составила 5
Устройство для региональной биоимпедансометрии согласно изобретению содержит (фиг. 2) генератор 14 переменного тока, к которому подключены токовые электроды 1 и 2. Региональные потенциальные электроды 6 и 7 и периферические потенциальные электроды 8 и 9 подключены к коммутатору 15.

К коммутатору 15 подключены последовательно соединенные между собой детектор 16, аналоговый преобразователь 17 и блок 18 обработки и индикации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 15. Между региональными потенциальными электродами 6 и 7 подключен делитель 19 напряжения, выход которого подключен к коммутатору 15.

Детектор 16 (фиг. 3) согласно изобретению содержит последовательно соединенные между собой фильтр 20 низких частот, селективный усилитель 21 и блок 22 детектирования реографического сигнала. К выходу фильтра 20 низких частот подключен блок 23 детектирования низкочастотного сигнала. Параллельно с фильтром 20 низких частот подключен фильтр 24 высоких частот, последовательно с которым соединен блок 25 детектирования высокочастотного сигнала. Выходы блоков 22, 23 и 25 являются независимыми выходами детектора 16, а объединенные входы фильтра 20 низких частот и фильтра 24 высоких частот являются общим выходом детектора 16.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с выбранной методикой исследования с генератора 14 (фиг. 2) на электроды 1 и 2 подают переменный зондирующий ток. Например, для определения объемного содержания внеклеточной и внутриклеточной жидкостей в тканях организма токовый сигнал содержит сумму двух гармонических колебаний с частотами 20 кГц и 500 кГц, при этом нижняя частота 20 кГц может использоваться для измерения реографических параметров. Электроды 6 9 воспринимают потенциалы, возникающие на поверхности кожи пациента вследствие прохождения через ткани переменного зондирующего тока. Сигнал от блока 18 через коммутатор 15 задает комбинации подключения электродов 6 9 и выхода делителя 19 к входам детектора 16. Последовательность и комбинации подключения определяются выбранной методикой исследований. С целью максимального сокращения времени исследования электроды 6 9 и выход делителя 19 могут одновременно подключаться к входам детектора 16, который в данном случае должен быть выполнен многоканальным, что позволяет проводить параллельную обработку нескольких сигналов.

Детектор 16 (фиг. 3) осуществляет обработку сигналов по известным в биоимпедансометрии алгоритмам: производится детектирование частотных и амплитудных составляющих зондирующего сигнала. Фильтр 20 выделяет из общего сигнала, снимаемого с пациента, низкочастотную составляющую (20 кГц), а фильтр 24 высокочастотную составляющую (500 кГц). Усилитель 21 производит дополнительное усиление сигнала и частотную фильтрацию, необходимые для устойчивой работы блока 22 и регистрации реографического сигнала. Блоки 25 и 23 детектируют соответственно высокочастотную и низкочастотную составляющие общего сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь 17 (фиг. 2) осуществляет преобразование сигналов с выхода детектора 16 в код, который поступает на вход блока 18. Блок 18, используя цифровые значения (коды) измеренных величин по известным в биоимпедансометрии методикам, производит вычисления и индикацию полученных физиологических параметров. Периодичность вычисления и индикации параметров, а следовательно и логика работы коммутатора 15, определяется программным и функциональным выполнением блока 18.

Таким образом, предложенные способ региональной биоимпедансометрии и устройство для его осуществления позволяют повысить точность измерений при проведении биоимпедансных исследований, включая параметры, характеризующие баланс жидкостей в организме, и оценки некоторых параметров гемодинамики, а также сократить время комплексных исследований.

Источники информации
1. Патент SU N 1708298 кл. A 61 B 5/05, 1988.

2. Патент SU N 1826864 кл. A 61 B 5/05, 1990.

3. Науменко А.И. Скотников В.В. Основы электроплетизмографии, Л. 1975.

Формула изобретения

1. Способ региональной биоимпедансометрии, заключающийся в подаче через конечности в исследуемый регион организма зондирующего переменного тока и одновременном измерении переменного напряжения вне исследуемого региона, отличающийся тем, что измеряют падение напряжения на конечностях, через которые проходит ток, и общее падение напряжения на организме, а напряжение, пропорциональное импедансу исследуемого региона, получают из разности между общим падением напряжения и напряжениями на конечностях, причем напряжение на конечностях измеряют относительно соответствующих конечностей, через которые не проходит ток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве зондирующего переменного тока используют ток, имеющий две гармонические частотные составляющие.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения напряжения в конечностях, через которые не проходит ток, производят относительно точки, в которой переменное напряжение равно половине величины общего падения напряжения на организме.

4. Устройство для региональной биоимпедансометрии, содержащее генератор переменного тока, к выходу которого подключены токовые электроды, последовательно соединенные коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, региональные и периферические потенциальные электроды соединены с сигнальными входами коммутатора, отличающееся тем, что оно содержит делитель напряжения, включенный между региональными потенциальными электродами, выход которого соединен с дополнительным сигнальным входом коммутатора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что детектор содержит последовательно соединенные фильтр низких частот, усилитель селективный и блок детектирования реосигнала и последовательно соединенные фильтр высоких частот, вход которого соединен с входом фильтра низких частот, и блок детектирования высокочастотного сигнала, а также блок детектирования низкочастотного сигнала, вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, вход которого является входом детектора, причем выходы блока детектирования реосигнала, блока детектирования низкочастотного сигнала и блока детектирования высокочастотного сигнала являются выходами детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3