Импеданс биологической ткани

Введение

Как показал ряд исследований, например [1-4], возможно выявление объективно значимой информации о живых объектах, путем исследования динамического изменения комплексной проводимости биологических тканей, на частоте из диапазона 0,1 – 10 МГц. Данный ряд исследований проводился с применением аппаратно-программного комплекса ИПЧ [3]. Данные полученные при исследованиях, стимулируют более детальное изучение биофизических процессов, проявляющееся в тканях в ответ на раздражение внешним электромагнитным полем в рассматриваемом диапазоне частот. В существующей модели ИПЧ, применялся метод измерения интегральной суммы тока в диапазоне частот 2 – 4 МГц, данный диапазон был выбран на основе исследований рассмотренных в [5]. Как показал, дополнительный, более поздний, анализ выбор данного диапазона, нельзя считать окончательным, что и будет наглядно продемонстрировано в данной работе. Также важно отметить, что на современном рынке биомедицинского оборудования существует недостаток приборов, использующих комплексный анализ данных полученных в результате измерения импеданса тканей в диапазоне единиц, десятков, сотен МГц.


Задачи локальных исследований

Изучение электропроводящих свойств некоторых живых и пробных биологических тканей, а также некоторых биологических и физиологических жидкостей в диапазоне 0.1 – 10 МГц, выявление особенностей изменения комплексного сопротивления биологических объектов во времени, в данном диапазоне, определение наиболее информативного частотного диапазона в предложенном интервале. Математическое моделирование электробиологических процессов, с це лью выявления природы происходящих процессов, возможности научного объяснения и полноценного анализа полученных результатов.
Приборы и материалы:
Анализатор спектра СК4-59.
Персональный компьютер.
Устройство передачи (УП) данных из СК4-59 в ПК.
Программа для приема данных от УП и перевода в числовые ряды.
Устройство—контейнер с встроенными электродами для исследования жидкостей, двухэлектродный манжет.
Программы Excel, Statistica.


Методы исследований

процессе исследования были произведены измерения и предварительный анализ амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) сопротивления биологических тканей и объектов, некоторых жидкостей. Динамического поведения АЧХ в зависимости от времени и воздействующих факторов.
исследовании применялся, тестовый сигнал генерируемый анализатором спектра СК4-59, после необходимой согласующей схемы анализировался и через блок оцифровки в относительных единицах показывающих значение тока выводился на ПК. Напряжение первой гармоники измерителя 71 мВ эфф., погрешность не более +10%, в рабочих условиях. Значение уровня одиннадцатой гармоники сигнала не менее минус 70 дБ относительно уровня первой гармоники. Уровень не гармоничных составляющих в сигнале следящего генератора на нагрузке 50 Ом не более минус 40 дБ, относительн6о уровня первой гармоники.
Измерения человека производились при помощи подключения двух физиологических электродов (сигнального и измерительного) на запястье руки.
При помощи подключения физиологических электродов к постоянным заранее выбранным точкам производились измерения АЧХ модели, в качестве модели не живой ткани была выбрана свиная тушка.
Регистрация АЧХ жидкостей производилось в устройстве— контейнере, с регулируемым расстоянием между плоскими стальными электродами площадью 314 мм2. Причем жидкость находилась в прямоугольном полимерном, диэлектрическом контейнере (40 x 60 мм.) 40 мкм., расположенном между тестирующими электродами, т. е. прямой контакт жидкости с электродом исключался.


1974850215900


Рисунок 1. АЧХ полученная для активного сопротивления 5,1 кОм и человека.

Измерение АЧХ тканей человека

Ряд экспериментальных наблюдений показал, что при измерениях в диапазоне 1—10 МГц был замечен интересный эффект в области 4,5—6 МГц (рис

. 1). Для сравнения, приведена АЧХ нагрузки сопротивлением 5,1 кОм. На основании полученных данных было принято решение производить дальнейшие измерения в диапазоне близком к 2—8 МГц. Измерение электропроводящих АЧХ тканей человека производилось при помощи стандартных физиологических электродов. Подключение осуществлялось к тыльной и фронтальной сторонам запястья.
Один из возможных вариантов выявления динамических изменений АЧХдля тканей человека, связанных с изменением его
психофизиологического состояния, измерение до некоторого раздражителя и после. В качестве такого раздражителя был выбран стандартный тест раздражитель «глубокий вдох».
Порядок тестирования: исследуемому предлагалось принять удобную позу в кресле, после чего на запястье левой руки одевался манжет с двумя электродами, сигнальным и измерительным. Далее производилось две последовательные съемки с интервалом 10 сек (обозначены на графиках «до 1» и «до 2», соответственно), далее предлагалось сделать три глубоких вдоха, что занимало от 30 до 60 сек., в зависимости от физиологических особенностей исследуемого. Затем производилась повторная съемка с интервалом 10 сек, обозначены на графиках «после 1» и «после 2», соответственно.
Всего в наблюдении участвовало 9 человек, ниже приведен график (рис. 2) отражающие наиболее характерные тенденции изменения АЧХ. По результатам теста можно сказать, что для большинства участников (в семи случаях) наблюдается изменение амплитуды АЧХ, после теста, увеличение значений, на 5 – 10% с сохранением общей формы. У двух тестируемых изменений практически не наблюдалось. Амплитудное изменение АЧХ, для выбранных точек подключения, и последовательных измерений в промежутке времени 10 мин, без теста раздражителя, составляет не более 2%. Надо отметить, что при изменении точки приложения электрода или
18332456819900изменении силы контактного нажатия, также возможно значительное в среднем до 15 – 20%, изменение амплитуды АЧХ. Поэтому при тестировании электроды по возможности оставались неподвижными. Также необходимо сказать, что при движении или переподключении электродов наблюдается динамические изменения АЧХ равновероятно, как в большую, так и в меньшую сторону, в то время, как для теста во всех случаях изменения АЧХ наблюдался прирост значений.


Рисунок 2. Динамика АЧХ для тестируемого 7, тест «глубокий вдох»

Графики, изображенные на рис.2, демонстрируют изменение формы АЧХ в интервале времени 48 часов. Изменение формы АЧХ при длительных измерениях наблюдаются для всех тестируемых, в то время как при кратковременных измерениях изменяется только амплитуда.

Исследование жидкостей

На (рис. 4) приведены АЧХ для некоторых жидкостей.
12058656985


Рисунок 4. АЧХ для воды питьевой и крови.
20510506604000


Рисунок 5, содержит значения АЧХ, для физиологических растворов различной концентрации и дистиллированной воды.

Исследование модели тканей человека

В качестве модели тканей человека, как уже было сказано, использовалась свиная лапка. Электроды подключались в заранее выбранном месте. Измерения происходили при температуре +220 С, в промежутках времени между измерениями объект сохранялся в холодильной камере. Измерения производились три дня, каждый день регистрировалось по три АЧХ.
На (рис. 6), представлены данные исследования модели. Видно, что общий характер АЧХ отличен от характера АЧХ для живых человеческих тканей, что скорее всего обусловлено изменением клеточных структур и количества жидкости в тканях после смерти