Импеданс тканей физические основы реографии реферат

41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии

Ткани организма проводят не только постоянный, но и пе ременный ток. В организме нет таких систем, которые бы ли бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индук тивность его близка к нулю.

Биологические мембраны (и, следовательно, весь ор ганизм) обладают емкостными свойствами, в связи с эт им полное сопротивление тканей организма определя ется только омическим и емкостным сопротивлениями Наличие в биологических системах емкостных элемен тов подтверждается тем, что сила тока опережает п фазе приложенное напряжение. Частотная зависимост импеданса позволяет оценить жизнеспособность тка ней организма, это важно знать для пересадки (транс плантации) тканей и органов. Импеданс тканей и орга нов зависит также и от их физиологического состояния Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяет ся в зависимости от состояния сердечно-сосудисто деятельности.

Диагностический метод, основанный на регистраци применения импеданса тканей в процессе сердечно деятельности, называют реографией (импеданс-пле тизмографией). С помощью этого метода получают рео граммы головного мозга (реоэнцефалограммы), сердц (реокардиограммы), магистральных сосудов, легких печени и конечностей. Измерения обычно проводят н частоте 30 кГц. Электрический импульс и импульсный ток Электрическим импульсом называется кратковремен ное изменение электрического напряжения или силы тока. В технике импульсы подразделяются на две боль шие группы: видео– и радиоимпульсы.

Видеоимпульсы – это такие электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля. Таким образом, видеоимпульс имеет преимущественно одну полярность. По форме видеоимпульсы бывают прямоугольными, пилообразными, трапецеидальными, экспоненциальными, колоколообразными и др.

Радиоимпульсы – это модулированные электромагнитные колебания.

В физиологии термином «электрический импульс» (или «электрический сигнал») обозначают именно видеоимпульсы. Повторяющиеся импульсы называют импульсным током. Он характеризуется периодом (периодом повторения импульсов) Т – средним временем между началами соседних импульсов и частотой (частотой повторения импульсов):

Скважностью следования импульсов называется отношение:

Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

3.2. Физические основы реографии (импедансной плетизмографии).

Плетизмография — это совокупность методов регистрации пульсовых колебаний кровенаполнения исследуемого органа или его участков. Основные факторы, которые определяют характер кровенаполнения, — это работа сердца и сосудистой системы. Для оценки функционирования сердца широко применяется электрокардиография и целая совокупность других методов, физические основы которых рассматриваются в соответствующих разделах медицинской и биологической физики, а о состоянии сосудистой системы отдельных органов важные сведения дает анализ периодических изменений их кровенаполнения.

Регистрация периодически изменяющегося импеданса тканей лежит в основе важнейшего метода исследования состояния сосудистой системы – импедансной плетизмографии (реографии).

Это обусловлено тем, что омическое сопротивление тканей сильно зависит от степени их кровенаполнения. Ткани неоднородны по своей структуре, а ток будет всегда идти по пути с наименьшим сопротивлением и прежде всего – по кровеносным сосудам, так как кровь имеет малое удельное сопротивление. Поэтому при увеличении кровенаполнения ткани ее омическая составляющая R импеданса уменьшается, а при уменьшении кровенаполнения – увеличивается. Таким образом, импеданс ткани периодически изменяется с частотой сердечных сокращений.

Омическое сопротивление R ткани определяется, в основном, объемом содержащихся в ней электролитов и, прежде всего, крови. Рассмотрим участок ткани между двумя электродами (рисунок 12). Обозначим расстояние между электродами L, удельное сопротивление исследуемого участка ткани ρ, площадь поперечного сечения проводника (сосудов, т.к. именно по ним в основном идет ток) S, объём проводящей ткани V=L∙S.

Омическое сопротивление проводника определяется известной формулой R=ρL/S . Выражая площадь через объем S =V/L получим:

Как видно из этой формулы, при приливе крови (V увеличивается) активное сопротивление R ткани уменьшается, а при оттоке крови оно возрастает.

Поэтому следовало бы ожидать, что ток, регистрируемый в этой цепи, должен изменяться во времени прямо пропорционально объему V кровенаполнения:

, (4.2)

Но при технической реализации метода возникает определённое затруднение. На постоянном токе и на токах низких частот проводить измерения нельзя по соображениям безопасности, а на переменном токе сопротивление живой ткани (и сила проходящего через неё тока) определяется полным значением ее импеданса Z, а не только активной составляющей R. Поэтому нужно так реализовать метод, чтобы влияние ёмкостной составляющей импеданса при реографических исследованиях свести к минимуму и добиться выполнения соотношения: Z  R.

Электрическая цепь, образующаяся при реографических исследованиях, представлена в виде эквивалентной схемы на рисунке 13. Электроды, подсоединённые проводами к источнику тока, закрепляются на коже пациента через марлевые прокладки, смоченные физраствором или электропроводной пастой. Ток проходит через кожу (под каждым электродом) и исследуемую ткань. Активное сопротивление кожи R_к велико (для чистой сухой кожи оно составляет порядка 1 МОм) и сравнимо с ее ёмкостным сопротивлением Х_с, определяемым частотой тока и ёмкостью кожи С_к. Активное сопротивление кровенаполняемой ткани R_тк (которое как раз и изменяется в такт с пульсациями крови в ней) намного меньше ее ёмкостного сопротивления С_тк, поэтому последнее можно не учитывать (поскольку R_тк и С_тк соединены параллельно).

Если бы для реографии использовался постоянный ток, то из-за большого сопротивления кожи R_к практически невозможно было бы зарегистрировать малые изменения общего высокого сопротивления цепи, вызванные кровенаполнением ткани R_тк. Поэтому для реографии применяют переменный ток частотой 40-150 кГц. На таких частотах ёмкостное сопротивление кожи становиться много меньше её активного сопротивления R_к и меньше сопротивления ткани R_тк , в результате чего общий импеданс Z  R_тк. В этом случае эффективное значение силы тока, протекающего по участку ткани между электродами (см. рисунок 13), будет пропорционально объему кровенаполнения этого участка:

Итак, использование в реографии переменного тока частой 40-150 кГц позволяет выделить из общего сопротивления цепи переменный компонент ее омической составляющей, обусловленный пульсовыми колебаниями кровенаполнения исследуемой ткани.

Для получения более полной диагностической информации и её дальнейшей интерпретации при реографических исследованиях синхронно с регистрацией изменений импеданса проводится и запись ЭКГ. Пример регистрации указанных показателей представлен на рисунке 14. Период повторения приведенных кривых одинаков, но между ЭКГ и реограммой (РГ) есть сдвиг Δt во времени, определяемый временем распространения пульсовой волны от сердца до исследуемого органа.

Читайте также: Тн вэд ткани смешанные

Кроме того, часто синхронно записывают ещё и продифференцированную реограмму (ее первую производную). Если реограмма РГ отражает зависимость объёма кровенаполнения исследуемого участка тела от времени, то дифференцированная реограмма (исходя из физического смысла производной) отображает зависимость скорости кровенаполнения от времени.

Основы метода импедансной реографии

Л.П. Сафонова, И.А. Кудашов

МОДЕЛИРОВАНИЕ, АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ СИГНАЛОВ ИМПЕДАНСНОЙ РЕОГРАФИИ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

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 (ρ_кр) постоянно; в действительности ρ_кр 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 ρ_кр 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.

Читайте также: Ткань рип стоп как выглядит

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.

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 (Z_кр) и постоянного импеданса (Z_тк). Значение Z_кр определяется объемом и пассивными электрическими свойствами крови в исследуемом участке. Значение Z_тк при фиксированных параметрах зондирующего тока отражает импеданс всех других тканей (жировой, мышечной и др.) без учета их кровенаполнения.

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 Z_тк не изменяется, то

где Z_кр 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; ρ_кр – 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.

Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом

Импеданс тканей физические основы реографии реферат

41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии

Читайте также

VII — ПОЛНОЕ ОТСУТСТВИЕ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Сопротивление воздуха

ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

9. Основы механики

16. Физические основы звуковых методов исследования в клинике

20. Механические свойства твердых тел и биологических тканей

21. Механические свойства биологических тканей

34. Физические основы электрокардиографии

36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах

6. Что такое полное солнечное затмение?

89 Полное внутреннее отражение, или Что такое оптический кабель

Воздушное сопротивление

3.2. Физические основы реографии (импедансной плетизмографии).

Основы метода импедансной реографии