HomePage
Карта сайта
Как со мной связаться?
Отправить мне E-mail
Анкетные данные автора
Кафедра анестезиологии и реаниматологии СПб МАПО
Специализация автора
Профессиональное увлечение автора
Научные публикации автора
Личный политический опыт автора
Культура, язык, история СССР
Технические идеи, до окторых пока не дошли руки
Кое-что о Лебединских...

ИМПЕДАНСОГРАФИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ:

АСПЕКТЫ ТЕХНИКИ И МЕТОДИКИ

К.М. Лебединский, Н.Ю. Волков, И.П. Николаева, В.Г. Покровский, И.С. Курапеев, К.Ю. Красносельский, Д.А. Захаров, А.А. Белов, И.Н. Меньшугин, А.Е. Карелов, Р.А. Ибатуллин

Санкт-Петербургская государственная педиатрическая медицинская академия, СПб НИИ кардиологии, Центральная медсанчасть №122, Детская городская больница №1, Городской гепатологический центр, Городской центр хирургии органов эндокринной системы, ЗАО «Диамант»

Слайды к этому докладу

Уважаемый председатель, уважаемые коллеги!

Соавторы этого доклада вместе и порознь неоднократно публиковали результаты исследований, выполненных с использованием достаточно популярного метода биологической импедансометрии. В настоящем сообщении хотелось бы обсудить его методические проблемы, технические стороны и перспективы развития, которые, к сожалению, нечасто становятся предметом дискуссии в среде клиницистов.

Напомним, что в основе любых импедансометрических измерений лежит различие электропроводности: у биологических жидкостей она в 5–10 раз выше, чем у плотных тканей. Следовательно, расчет жидкостных объемов и их изменений во времени может основываться на измерении электрического сопротивления тканей. Выполнение таких измерений, однако, затрудняется наличием изоляторов, в частности, клеточных мембран и границы «электрод–кожа».

Выходом из положения стало включение тех или иных участков тела человека в электрическую цепь переменного тока. Сложное сочетание изоляторов (которые при этом из-за поляризации начинают играть роль электрических емкостей) и проводников, соединенных последовательно и параллельно, условно рассматривается в этом случае как единый объект, обладающий физически измеримыми емкостным (реактивным) и омическим (активным) сопротивлениями. Векторная сумма этих двух величин и называется импедансом:

где R – омическое сопротивление, f – частота тока, С – величина емкости. Как видно из формулы, соотношение между омическим и емкостным компонентами зависит от частоты тока: чем она выше, тем меньше емкостной компонент. При частоте более 1 кГц его величиной вообще можно пренебречь без ущерба для точности измерения омической составляющей импеданса.

Омическое сопротивление, в свою очередь, состоит из двух составляющих. Первая, постоянная, определяется фоновым содержанием жидкости в ткани, тогда как вторая, переменная, отражает колебания кровенаполнения во время сердечного цикла: приток крови снижает сопротивление, отток его увеличивает. Как показал еще в 1941 году Алексей Алексеевич Кедров (род. 1907) – впоследствии заведующий кафедрой госпитальной терапии Ленинградского педиатрического медицинского института (1970–1982) - колебания кровенаполнения приводят к изменениям преимущественно активного сопротивления, а не емкости тканей.

Переменная компонента сравнительно невелика – по разным данным, она составляет от 0,05 до 1% общего импеданса. Таким образом, измерение постоянной составляющей импеданса дает возможность вычисления объемов жидкостных секторов организма, тогда как анализ переменной составляющей позволяет получать информацию о количественных характеристиках пульсирующего потока крови.

С точки зрения биофизики основной проблемой метода является неопределенность путей прохождения тока через тело, независимо от «правильности» своей формы состоящее из элементов с самыми разными электрическими и геометрическими характеристиками, что не дает возможности построить детерминированную математическую модель тела как проводника. Эту слабую сторону импедансометрии наглядно демонстрирует экспоненциальное нарастание ошибки метода по мере выхода состояния пациента за пределы условной нормы или, тем более, на критическую отметку. Качественные объяснения этих феноменов с позиций физиологии пока не дают возможности вводить в подобных, очень важных для врача случаях какую-то измеримую поправку. Методы, к сожалению, нередко становятся просто неприменимыми для количественного анализа ситуации.

Таблица 1.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ИМПЕДАНСНЫХ МОНИТОРОВ

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ

ФИРМА, СТРАНА-ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

ДИАМАНТ, Россия

МЕДАСС, Россия

CDIC, США

Диамант М

Диамант РМ

Реодин

АВС-01

BioZ System

Число каналов импедансометрии

3

4

1

Частоты зондирующего тока ( кГц )

28; 115; 230

25

25; 500

50

Интегральная реография

Есть

Нет

Торакальная реография

Есть

Нет

Есть

Оценка объемов водных секторов

Есть

Нет

Есть

Только торакальн.

Число отведений ЭКГ

2

Нет

1

Реовазография

Нет

Есть

Нет

Реоэнцефалография

Нет

Есть

Нет

Реопневмография

Есть

Нет

Анализ структуры тела

Есть

Нет

Есть

Нет

Стоимость (тыс. руб.)

57.9

73.7

35.4

90

Нет данных

И все же в последнее время наблюдается отчетливый рост интереса к импедансометрическим методам, обоснованный прежде всего их неинвазивным характером. Свидетельством этому является как увеличение числа публикаций по этой теме, так и появление новых отечественных и зарубежных диагностических приборов, включающих в себя каналы импедансных измерений. При этом компьютеризация открыла принципиально новые возможности метода и расширила сферу его применения. В современных компьютерных системах разработчикам удалось значительно повысить точность измерений импеданса и его изменений, реализовать многоканальность, временнoе мультиплексирование, программную и аппаратную фильтрацию шумов, коррекцию изолинии и, что самое главное, автоматическую обработку сигналов. Некоторые комплексы производят обработку в реальном масштабе времени. Все это обусловило начало применения таких систем не только в функциональной диагностике, но и для мониторного контроля гемодинамики и водных секторов организма человека. В настоящее время в северо-западном регионе и центральной России чаще применяются мониторы "Диамант" (Санкт-Петербург) и "Медасс" (Москва), в США распространены системы "BioZ System" компании CardioDynamics International Corporation (по данным этой компании только в период с 1993 по 1998 гг. на территории США продано более 20000 мониторов данного типа). Выпускают импедансные мониторы Франция, Финляндия, Германия и другие страны.

Из таблицы 1 видно, что отечественные приборы характеризуются большей универсальностью, позволяя проводить не только торакальную, но и интегральную реографию, а также реографические исследования отдельных областей тела. Важным их преимуществом является также возможность работы на нескольких частотах зондирующего тока.

Последнее обстоятельство приобретает особенно большое значение, когда речь идет об исследовании объемов водных секторов. Принято считать, что если на частотах менее 50 кГц общее сопротивление определяется объемом внеклеточной (т.е. внутрисосудистой и интерстициальной) жидкости, то при частотах зондирующего тока более 100 кГц на величину импеданса ткани начинает влиять также и внутриклеточная жидкость.

В ранних работах электрическую модель жидкостных секторов представляли в виде последовательно соединенных активного сопротивления (эквивалентного объему внеклеточной жидкости) и емкостного сопротивления, величина которого эквивалентна внутриклеточному сопротивлению. Измеряя эти сопротивления на частоте 50 кГц , рассчитывали соответствующие объемы жидкостных секторов (одночастотный метод). Отметим, что в 1994 году Национальный институт здравоохранения США не поддержал использование метода биоимпедансного анализа в тех случаях, когда соотношение объемов вне- и внутриклеточной жидкости нарушены.

Более точные данные были получены с использованием так называемой параллельной модели, впервые предложенной Cole . В ней активное сопротивление, эквивалентное объему внеклеточной жидкости, включено в цепь параллельно сопротивлению внутриклеточной жидкости, которое, в свою очередь, состоит из активной и емкостной составляющих. Измерения импеданса стали проводить не на одной, а на нескольких частотах от 5 кГц до 1000 кГц , а для расчета объемов стали использовать как активное, так и емкостное сопротивление (многочастотный метод). Независимо от модели и метода для расчетов объемов жидкостных секторов обычно используют уравнения вида:

где значения коэффициентов k и C определяются эмпирически из данных, полученных индикаторными методами.

Авторы решили вывести зависимость между импедансом и объемами жидкостных секторов, основываясь не на корреляционной функции, а на модели, включающей объемы трех классических секторов – внутрисосудистого, интерстициального и внутриклеточного. Жидкость каждого сектора характеризуется своим, отличным от других удельным электрическим сопротивлением и объемом. Импеданс измеряли на 2-х частотах – низкой и высокой.

При выводе расчетных формул мы исходили из следующих допущений:

•  величина импеданса определяется, в основном, активными сопротивлениями, причем сопротивление клеточных мембран значительно больше сопротивления жидкостей;

•  жидкостные секторы аппроксимируются цилиндрическими проводниками второго рода, длина которых равна расстоянию между электродами (L), а среднее поперечное сечение – V/L, где V объем соответствующего сектора;

•  изменение объемов жидкостных секторов тела происходит за счет поступления или выхода из них жидкости, обладающей таким же удельным электрическим сопротивлением, как интерстициальная жидкость.

Предложенная модель описывается формулами, которые позволяют вычислять величины изменения внеклеточного ( D ECF ) и внутриклеточного ( D ICF ) объемов жидкостей за некоторый период времени:

где L – расстояние между электродами, приблизительно равно росту пациента, Z l и Z h – модули импеданса тела на низкой и высокой частотах в начале и конце периода (индексы 1 и 2), r - удельное электрическое сопротивление интерстициальной жидкости.

Используя описанную модель, авторы в течение 10 лет успешно определяли объемы жидкостных секторов у больных с нарушением соотношений объемов вне- и внутриклеточной жидкости в условиях отделения интенсивной терапии. Дальнейшие перспективы мы видим в приложении исследования объемов жидкостных секторов к другим областям медицины.

Второе возможное направление развития биоимпедансного анализа связано с возможностью определения объема крови и его компонентов – объемов плазмы и эритроцитов. В настоящее время исследователи отходят от сравнения результатов определения объемов секторов биоимпедансным и индикаторными методами, больше ориентируясь на констатацию физиологических отклонений, нежели точность измерения абсолютных величин. Нами проведен предварительный анализ значимости изменений объема крови, определенных биоимпедансным методом у больных коксартрозами в период подготовки к эндопротезированию тазобедренного сустава. Выявлены достоверные различия в показателях, отражающих напряжение компенсаторно-приспособительных систем на гиповолемию. Так, снижение объема крови в среднем на 14% характеризовалось достоверным уменьшением преднагрузки (и сердечного выброса), снижением доставки кислорода, увеличением ЧСС, увеличивало внутрилегочное шунтирование крови на фоне активации перекисного окисления липидов. Показатель проницаемости клеточных мембран – концентрация в плазме малонового диальдегида (МДА) – увеличивался на 22% по сравнению с исходно нормоволемической группой больных. Таким образом, по-видимому, метод может быть в дальнейшем применен для экспрессной неинвазивной оценки волемического статуса больных.

Третье направление развития биоимпедансного анализа связано с опытом изучения проницаемости клеточных мембран путем определения сопротивления на разных частотах в сопоставлении с клиническим состоянием больных. Мы использовали показатель индекса тяжести (ИТ) – отношения величины импеданса на частоте 100 кГц к площади поверхности тела. Корреляционный анализ этого индекса с параметрами гемодинамики, кислородтранспортной функции крови и метаболизма, выявил достоверные связи с показателями, отражающими тяжесть нарушений гомеостаза – уровнями рН плазмы, содержанием в крови кислорода, лактата и МДА. Связь этих показателей с изменениями проницаемости клеточных мембран общеизвестна, что дает основания трактовать снижение импеданса на частоте 100 кГц как проявление нарушения барьерных свойств мембран, используя в будущем этот факт для клинических оценок.

Исследования гемодинамики биоимпедансным методом предполагают выделение, усиление, регистрацию и анализ переменной составляющей электрического импеданса тканей. В этом и заключается сущность метода реографии, за рубежом обычно называемого импедансной кардиографией.

Все известные формулы расчета ударного объема крови по данным реографии построены на предположении о том, что в течение систолы сконцентрированный в одной точке ударный объем крови равномерно заполняет лежащий между электродами участок тела, форма которого приближенно описывается той или иной стереометрической фигурой. Отсюда вытекают два главных источника методических ошибок: неравномерная в реальных условиях динамика кровенаполнения тканей и отличие истинной формы тела от расчетного приближения.

Один из очевидных путей борьбы с такого рода методическими ошибками – различного рода калибровочные процедуры. Речь при этом может идти как о калибровке по какому-либо другому методу измерения производительности сердца (например, термодилюционному), так и, как было показано нами ранее, о так называемой калибровке по эталону. Таким эталоном в данном случае является заранее заданная величина потока крови в большом круге, создаваемая в условиях кардиоплегии аппаратом искусственного кровообращения. Подобная технология «индивидуальной абсолютной калибровки» была отработана авторами у детей во время операций с искусственным кровообращением.

Важным резервом повышения точности метода является, на наш взгляд, назревший сегодня пересмотр алгоритма расчета ударного объема крови. Лежащие в основе большинства известных формул допущения о равномерном притоке крови в сосуды в фазу систолы и равномерном оттоке ее на протяжении всего кардиоцикла выглядят с точки зрения биомеханики не вполне правдоподобными. С учетом кинетики сердечного сокращения и механического ответа сосудов на прирост объема крови значительно более вероятными представляются экспоненциальная или S -образная зависимости прироста объема от времени на протяжении систолы. Зависимость скорости оттока от колеблющегося венозного давления также ставит вопрос о несовершенстве расчетных алгоритмов.

Обратим внимание на важное обстоятельство. В «классической» механике кровообращения сопротивления и мощности определены для проинтегрированного по времени стационарного потока, и, соответственно, постоянного давления, тогда как реальные поток и давление пульсируют . Помимо ряда неясностей, такое приближение приводит к потере важной информации о механических характеристиках сердечно-сосудистой системы, вовлеченной в колебательный процесс. Параллельно этому упрощению и «классический» анализ реограммы также предполагает использование в расчетах лишь отдельных, дискретных фиксированных значений функции зависимости импеданса от времени. В то же время математический анализ самой этой функции в целом остается за пределами внимания исследователя. Между тем анализ динамики мгновенных значений импеданса, как и мгновенных значений потока, сосудистого сопротивления и других переменных позволяет получить много несколько непривычной, но потенциально очень важной для врача информации. Этот раздел наших исследований мы хотели бы сделать темой специального доклада.

С другой стороны, уникальным свойством реографии является способность не только определять дискретные величины ударных объемов крови, но и – в силу непрерывного характера и неинвазивности метода – накапливать вариационные ряды этих величин. Показана также способность реографии достаточно точно идентифицировать разделительные моменты фаз кардиоцикла. Сравнительный анализ вариационных рядов ударных объемов и временных параметров соответствующих кардиоциклов создает возможность неинвазивной оценки растяжимости и сократимости миокарда. В простейшем варианте такая оценка может быть проведена по характеристикам зависимостей ударного объема от времени соответственно диастолы и систолы при фиксированных (за время накопления вариационного ряда) величинах пост- и преднагрузки желудочков. Важно отметить, что предпосылки для возникновения и анализа описанных зависимостей создают естественные флюктуации ритма сердца, а неинвазивный характер методик не ограничивает длительности и широты их применения у самых различных категорий пациентов.

Важными направлениями дальнейшего развития являются также совершенствование технической базы – усиление помехозащищенности приборов, развитие средств аппаратной и программной фильтрации реосигнала, оптимизация формы электродов и способов их размещения. Очень важно уточнить, а иногда и создать вновь критерии нормы, в частности, в педиатрии и неонатологии, исследовать “реографическую картину” отдельных состояний и заболеваний.

Как нам представляется, реография открывает большие перспективы перед нашими коллегами – терапевтами и кардиологами. Мы не раз встречали пациентов–гипертоников, которым квалифицированные кардиологи назначали ингибиторы АПФ при высоком сердечном выбросе или b -блокаторы по поводу вазогенной гипертензии. А между тем кардиолог, получивший в руки цифры производительности сердца и системного сосудистого сопротивления, тем самым может не только более целенаправленно использовать кардио- и вазотропные средства, но и объективизировать контроль такой терапии.

Однако совершенно уникальные преимущества реография предоставляет, на наш взгляд, в условиях экстремальной и военной медицины. Известно, что сигналы интегральной реограммы тела и импедансной пневмограммы из-за своей более высокой энергоемкости характеризуются значительно бoльшей помехоустойчивостью по сравнению с ЭКГ и любыми другими вариантами усиления естественных биопотенциалов организма. Техническая простота метода, легкость его освоения и сравнительная дешевизна аппаратуры делают реографию весьма привлекательным средством экспрессной оценки состояния раненых и пораженных, надежной и неприхотливой основой перспективного полевого монитора. Такое направление развития представляется сегодня тем более актуальным, что задача постановки на табельное снабжение Вооруженных Сил кардиореспираторного монитора выдвигается сегодня военными медиками как одна из приоритетных.

Применение реографии в экстремальных ситуациях может быть облегчено и небольшим техническим усовершенствованием. Некоторое время назад мы предложили конструктивно интегрировать в одежду или обмундирование комплект электродов, выполненных из токопроводящей углеволокнистой ткани и соединенных с внешним кабельным разъемом посредством микрокабелей, также интегрированных в одежду, например, проложенных в ее швах. В этом случае для подключения исследуемого к регистрирующему устройству достаточно привести электроды в рабочее положение и соединить кабельные разъемы.

Наконец, вышеописанный набор положительных качеств плюс изначальная компьютеризация делают импедансный мониторинг идеальным источником информации о гемодинамике в системах автоматизированного управления (САУ) анестезией, внедрение которых сегодня является общемировой тенденцией.

Руководствуясь принципом минимальной инвазивности, который завоевывает сегодня все более прочные позиции даже в такой по определению инвазивной области, как хирургия, мы позволим себе выдвинуть проект клинического протокола «Мониторинг МОК в общей анестезиологии». В рекомендациях этого проекта мы исходили, в частности, из результатов собственных исследований, продемонстрировавших клинически приемлемую точность импедансного измерения МОК. Таким образом, неинвазивность метода позволяет расширить показания к мониторингу МОК как таковому, а показания к катетеризации легочной артерии, напротив, ограничить лишь необходимостью селективного мониторинга преднагрузки левого желудочка (Приложение 1).

РЕЗЮМЕ

Доклад, посвященный одному из популярных неинвазивных методов исследования – биоимпедансному анализу, основан на более чем десятилетнем опыте работы нескольких научных и лечебных учреждений с импедансными мониторами различных поколений. Основное внимание уделяется при этом не клиническим результатам, а методическим проблемам, техническим аспектам и перспективам развития биологической импедансометрии. Приводятся сравнительные технико-экономические данные ряда импедансных мониторов отечественного и зарубежного производства. Анализируются новые подходы к определению объемов жидкостных секторов организма, оценке волемического статуса и состояния клеточных мембран. Перспективы развития реографии освещены с позиций как повышения точности метода, так и увеличения объема предоставляемой им физиологической информации, в том числе и носящей качественно новый характер. Выдвинут проект клинического протокола мониторинга МОК в общей анестезиологии, в основу которого положен принцип минимальной инвазивности мониторинга. Описан ряд технических усовершенствований, предложенных авторами, а также обсуждаются условия и возможности применения биоимпедансных методик в других областях медицины.

 

© К.М. Лебединский и соавт., 2001

 

Комментарии на злобу дня
Page with essential information in English
Свежие и обновленные материалы сайта