В чем преимущества полисегментного БИА?

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БИОИМПЕДАНСНОГО
АНАЛИЗА СОСТАВА ТЕЛА И БАЛАНСА ВОДНЫХ СЕКТОРОВ
Николаев Д.В., Смирнов А.В., Носков В.Б.
АО НТЦ «Медасс», ГНЦ ИМБП РАН ntcmedass@mtu-net.ru,
Биоимпедансный анализ (БИА) является одним из наиболее доступных в
настоящее время методов клинической и амбулаторной оценки состава тела и баланса
водных секторов.
По стоимости оборудования и затратам на эксплуатацию БИА
сравним с современными модификациями ЭКГ, дыхательной и реографической
диагностики. По спектру оценок физиологических параметров БИА удачно дополняет
клиническую картину методов функциональной диагностики, заменяя ряд сложных,
дорогостоящих и, в то же время, имеющих определенные ограничения методов, таких
как методики, основанные на разведении индикаторов, подводное взвешивание,
рентгеновская денситометрия, и др.
Совершенствование аппаратурных и программных средств БИА в последние
годы существенно повысило
его возможности и расширило перечень как уже
реализованных, так и перспективных применений. Однако нельзя не отметить дефицит
методических материалов на русском языке. Данная работа имеет целью в некоторой
степени заполнить этот пробел.
Области применения БИА
1. 1.
Анализ и динамический контроль состава тела - жировой массы,
безжировой массы, мышечной массы, общей воды организма, для оценки и
прогноза
развития
метаболического
синдрома,
определения
режима
питания, оценки эффективности процедур коррекции фигуры,.
2. 2.
Анализ и динамический контроль водных секторов организма –
клеточной, внеклеточной и интерстициальной жидкостей, ОЦК, и «сухого
веса»
в
гемодиализе,
инфузионно-трансфузионной
терапии,
при
хирургических вмешательствах, связанных с большой потерей крови и т.д.
3. 3.
Оценка гидратации организма перед применением диуретических
препаратов и контроль результатов их применения, в частности при лечении
гипертонии.
4. 4.
Оценка регионального перераспределения внеклеточной жидкости в
процессе физиотерапевтических воздействий.
5. 5.
Оценка регионального перераспределения внеклеточной жидкости в
ходе нагрузочных, например, ортостатических, дыхательных и др. проб.
6. 6. Контроль стадий лечения региональных, связанных с местными отеками
заболеваний, ранений, краш-синдрома, количественная оценка гестозов.
7. 7.
Маммологический
скрининг
на
наличие
отечности
вследствие
воспалительных процессов или возникновения новообразований.
8. 8. Контроль гидратации организма при акклиматизации в горном и сухом
жарком климате.
9. 9. Контроль жизнеспособности тканей и органов перед трансплантацией.
По всей видимости, этот перечень в дальнейшем будет расширяться и
дополняться за счет методик локальной оценки состояния тканей и слизистых
оболочек, их реакций на химические раздражители, лекарственные средства и
аллергены, оценок гидратации тканей легких и мозга при состояниях,
связанных с угрозой отека, диагностикой гидроцефалии и т.д.
Краткая история развития БИА
Историю
практического применения БИА в медицине общепринято
отсчитывать с первых публикаций Томассета (1962), анестезиолога из Лионского
госпиталя. Он первым использовал данные БИА для контроля динамики общей и
внеклеточной жидкости и предложил рассчитывать объемы этих жидкостей
пропорционально квадрату роста пациента и обратно пропорционально величинам
импеданса между кистью и диагонально расположенной стопой на частотах
1000 кГц и 5 кГц соответственно (рис.1.).
15-20 лет потребовалось на масштабную верификацию этой методики его
последователями и подготовку выпуска серийного медицинского прибора. В
середине
1980-х
годов
в
США
начался
выпуск
нескольких
вариантов
одночастотных, а через 10 лет – мультичастотных приборов. Вместо подкожного
введения игольчатых электродов в тыльные стороны стопы и кисти стали
применять электроды клеящиеся
по тетраполярной схеме на запястье и
голеностоп. В СССР подобный прибор был серийно выпущен в 1989г. (Измеритель
степени гидратации тканей ИСГТ-01). В настоящее время биоимпедансные
анализаторы, как одночастотные, так и мультичастотные, выполняющие измерения
на одном отведении, выпускаются многими фирмами разных стран.
В 1990г. в СССР запатентован метод полисегментного БИА (по пяти
регионам – туловище, две руки и две ноги). Серийный выпуск реализующего эту
методику прибора АВС-01 «Медасс» начат в России в 1997г. По нашим сведениям,
это
пока
единственный
полисегментный
биоимпедансный
анализатор.
В
опубликованных зарубежных экспериментальных работах на тему полисегментной
регистрации (1994г. и 1998г.) авторы достигали результата ручным переключением
кабелей на электроды, расположенные на различных участках тела.
Варианты схем измерения
Схемы измерения, используемые в известных методиках БИА, показаны на
рис.1.
1
5
2
6
- токовые электроды
3
7
4
8
- потенциальные электроды
Рис.1. Варианты схем измерения в БИА
Для каждой схемы заштрихованной показана область тела, по которой
распространяется зондирующий ток, и которая, следовательно, может давать вклад
в измеренное значение импеданса. Во всех схемах измерения импеданса
выполняются, предпочтительно, по тераполярной методике, в соответствии с
которой одна пара электродов служит для пропускания зондирующего тока, а
другая пара - для съема напряжения (разности потенциалов). Измеренное значение
модуля импеданса равно частному от деления величины напряжения на величину
тока. Фазовый угол импеданса равен фазовому сдвигу напряжения относительно
тока при условии синусоидальной формы обеих указанных переменных.
На рис. 1.1 показана вышеупомянутая схема Томассета. На рис.1.2 дана схема
измерения от запястья до щиколотки по одной стороне тела, широко используемая
в оценках состава тела в диетологии, фитнесе и т.п. На рис.1.3 показана схема
измерения по Тищенко, в которой обе руки и обе ноги соединяются внешними
проводниками. Эти три схемы являются интегральными, так как с их помощью
оцениваются параметры всего тела без разделения на сегменты.
Следующие две схемы региональные: рис.1.4 – схема фирмы «Омрон» и
рис.1.5 – схема фирмы «Танита». Эти схемы позволяют оценивать параметры
верхней и нижней частей тела, соответственно.
Последняя группа схем по рис.1.6-1.8 – полирегиональные, реализуемые,
наряду с вышеперечисленными схемами, только прибором АВС-01 «Медасс».
Для анализа и сопоставления различных схем измерения выполнялось их
компьютерное
моделирование.
На
рис.2
представлены
результаты
такого
моделирования в виде эквипотенциальных линий, получающихся при прохождении
электрического тока
через тело человека. Расстояние между соседними
изолиниями пропорциональны плотности электрического тока в данной области
модели. Показаны картины, получамые при прохождении тока от запястья до
щиколотки по схеме рис.1.1 для двух диагоналей и результат наложения этих
картин (правый силуэт), получаемый в схеме по рис.1.6. Таким методом были
определены границы исследуемых регионов для всех схем измерения.
Сравним различные схемы измерений.
Наиболее исследована и освещена в литературе схема по рис.1.2. Ее
преимущества – простота крепления электродной системы - две пары электродов
на конечностях с одной стороны тела, и интерпретированность, как результат
работ, выполненных за последние 25 лет диетологами и другими специалистами. В
пособиях по методам оценки состава тела, статьях и патентах опубликованы
десятки регрессионных уравнений, связывающих измеряемый по этой схеме
интегральный импеданс тела с жировой и безжировой массами, общей, вне- и
внутриклеточной жидкостями с учетом различных поправок на возраст, пол и т.д.
При этом есть варианты с измерениями на одной или нескольких частотах, с
учетом только модуля импеданса или же с учетом и модуля и фазового угла.
Однако именно к этой схеме относится приводимая ниже критика интегрального
метода с точки зрения разной чувствительности по туловищу и конечностям. Эту
же критику можно отнести и к схеме по рис.1.1.
Схема по рис.1.3, перешедшая в биоимпедансный анализ из интегральной
реографии «по Тищенко», используется только в комплексе «Диамант». Данная
схема обеспечивает более полный учет импеданса туловища по сравнению с двумя
предыдущими. Однако общие недостатки интегрального метода свойственны и ей.
Схемы по рис.1.4 и 1.5 дают оценки параметров, соответственно, плечевого
пояса и нижних конечностей. Они успешно используются в спортивной медицине,
но несостоятельны в оценке параметров всего организма.
Схемы по рис.1.6, 1.7, 1.8 используются в выпускаемом с 1997 года приборе
АВС-01
«Медасс» и
его модификации
«Спрут», предназначенной для
исследований в космосе. В этих приборах впервые реализован автоматический
полисегментный анализ на 5 регионов (рис.1.6), 9 регионов (рис.1.7) и 7 регионов
вдоль вертикальной оси тела (рис.1.8).
Как видно из рис. 1.6 и 1.7, эти схемы позволяют детально оценить баланс
водных секторов в конечностях и большей части туловища, а именно в нижней
части торса и абдоминальной области. При расположении рук под небольшими
углами к туловищу, как предусмотрено процедурой измерения, область от
основания шеи до четвертого межреберья не анализируется (точно так же как в
схемах интегральных измерений по рис.1.1-1.3).
Этим обстоятельством
объясняются расхождения в оценках объемов жидких сред, полученных при
отклонениях позы пациента от требуемой (лежа на спине на горизонтальной
поверхности), а так же при использовании инфузионных растворов, изменяющих
ОЦК. К сожалению, во многих клинических ситуациях расположить руки пациента
в момент исследования выше уровня плеч и в одной плоскости с туловищем не
представляется возможным.
Тем не менее, с использованием этих схем исследования накоплен обширный
клинический опыт, позволяющий реализовать практически все применения,
перечисленные в первой части статьи. Эффективными инструментами анализа для
пунктов 4-8 перечня применений являются величины асимметрий региональных
импедансов и значений отношения объемов общей жидкости к внеклеточной,
динамика
изменений
этих
величин
при
отеках
различной
этиологии,
перераспределение внеклеточной жидкости в ходе различных нагрузочных проб и
физиотерапевтических воздействий. Для маммологических исследований (пункт 5)
используется схема по рис.1.6 с переносом пар электродов с запястий в
околососковые области.
Исследования по схеме рис.1.8 позволяют анализировать туловище без
потери информации о верхней части торса, раздельно оценивать торс и
абдоминальную область, дополнить общую картину данными по голове и шее. По
сравнению со схемами по рис.1.6 и 1.7 на рис.1.8 исключены из рассмотрения руки.
Но при необходимости они также могут анализироваться при условии установки
дополнительных электродов.
В чем преимущества полисегментного БИА?
Полисегментные измерения позволяют получить несколько чрезвычайно
важных
результатов.
погрешности
оценок
Во-первых,
существенное
снижение
методической
вычисляемых
параметров.
Во-вторых,
возможность
мониторирования in vivo перераспределения жидкости между измеряемыми
регионами
в
нагрузочных
тестах
и
при
других
ситуациях,
создающих
перераспределение. В-третьих, возможность наблюдения изменений жировой и
мышечной тканей регионов в процессе коррекции фигуры. Этот список можно
продолжить, но главное, все-таки, это повышение точности анализа. Остановися на
этом вопросе подробнее.
Техника
съема
большинства
серийных
биоимпедансных
анализаторов
предусматривает подключение электродов к запястьям и голеностопам пациента. При
этом, конфигурация измеряемого биологического объекта, это – последовательное
соединение следующих регионов: рука, туловище и нога. Сопротивление на единицу
длины объекта варьирует вдоль линий прохождения измерительного тока из-за
изменений площади поперечного сечения, соотношения жировой, мышечной и костной
тканей.
Регрессионные формулы, позволяющие приблизительно оценивать тощую массу,
объемы общей и внеклеточной жидкостей организма опираются на модель в виде
постоянного по величине поперечного сечения и однородного по составу цилиндра.
Основной,
зависящий
от
измеренного импеданса
член
этих
формул
прямо
пропорционален квадрату роста пациента и обратно пропорционален величине
импеданса на соответствующей частоте. Механизм
возникновения методической
погрешности, трудноисправимой в рамках измерения одноканальным прибором,
описывается следующим образом (2):
«Сопротивления верхней конечности к туловищу и к нижней конечности
относятся, например, как 13,8:1:11,8.. Очевидно, что сопротивление туловища, области
содержащей около половины массы тела, намного ниже сопротивления сопротивлений
верхних и нижних конечностей. Так как эти три сегмента соединены последовательно,
то общее сопротивление будет суммой отдельных сопротивлений этих трех сегментов.
Это означает, что большие изменения в тканях туловища на общем сопротивлении
отражаются минимально, и в то же время, небольшие, например, из-за смещения
электродов
на
лодыжке
или
запястье,
могут
вызвать
изменение
в
общем
сопротивлении, равное почти половине сопротивления туловища. Малый вклад
туловища в общее сопротивление тела и тот факт, что сопротивление туловища входит
в общее сопротивление тела, а его влияние в дальнейшем может быть нивелировано
вариабельностью наложения электродов на запястье и лодыжке, налагает строгие
ограничения
на
технику
процедуры
БИА.
Эта
погрешность
может
быть
минимизирована путем измерения по отдельности сопротивлений конечностей и
туловища.»
Предпринимались попытки компенсировать
эту погрешность учетом
этнической принадлежности пациента, однако, из-за высокой вариативности
антропометрических параметров внутри этнических групп и трудности этнической
идентификации такой способ имеет ограниченную эффективность. Только переход
на полисегментные измерения позволяет решить данную задачу.
При использовании полисегментной схемы небольшие смещения электродов
на запястье или лодыжке приведут лишь к пропорциональным этому смещению
изменениям импедансов и исследуемых объемов жидкостей конечностей,
приводящим к незначительной погрешности интегральной оценки.
Исследования динамики перераспределения жидкостей
Полисегментный БИА дает возможность
изучать перераспределения
внеклеточной жидкости в ортостатических тестах и других процедурах. Эти работы
недавно начаты, но весьма перспективны. Критерием правильности измерений
может быть постоянство суммы объемов жидкостных секторов по исследуемым
регионам при перераспределениях жидких сред в узком диапазоне значений.
Пример зависимостей импедансов регионов и объемов перераспределения
жидкости от времени при ортопробе (последовательность положений испытуемого:
горизонтально, антиортостатическое положение -15 градусов к горизонту,
ортостатическое +70 градусов к горизонту, горизонтально) показан на рис.3 и 4,
где тренд импеданса и изменения объема жидкости соответствуют регионам: а голова; б - торс; в - абдоминальная область; г - бедро и д - голень.
Разрешающая способность метода по времени (в данном случае – 3 секунды)
позволяет оценивать не только объемы перераспределений, но и скорости, что явно
видно на трендах бедер и голеней. При повышении разрешающей способности до
1 секунды и сглаживании трендов доступными для количественной оценки
становятся все переходные процессы.
Рис.3. Тренды импедансов регионов
Рис.4. Тренды изменений объемов жидкостей в регионах
Заключение
Медицинские диагностические технологии в процессе развития стремятся к:
- максимальной информативности в рамках направления диагностики,
расширению применимости при различных нозологиях и условиях внешней среды
- точности и устойчивости измерений и оценок вычисляемых параметров
- сокращению времени процедуры, минимизации обслуживающего персонала,
расходных материалов, компактности и мобильности аппаратной части
- уменьшению вредных воздействий на пациента и врача, к неинвазивности и
комфортности для пациента
- уменьшению стоимости оборудования
В технологии БИА,
при переходе к полисегментной модификации,
существенно повышается точность оценки основных параметров водного баланса и
состава тела, появляется возможность раздельной оценки параметров регионов, в
том числе раздельно торса и абдоминальной области, существенно расширяется
область клинических применений.
Литература
1. David Bracco, Jean-Pierre Revelly, Mette M. Berger, Rene L. Chiolero Bedside
determination of fluid accumulation after cardiac surgery using segmental bioelectrical
impedance. Crit. Care Med. 1998 Vol. 26, No.6:1065-1070.
2. Leslie W. Organ, Gilbert B. Bradham, Dwight T. Gore, Susan L. Lozier. Segmental
bioelectrical impedance analysis: theory and application of a new technique. J. of Appl.
Physiol. 1994, Jul; 77(1): 98-112.
3. Tsuneo Tatara, Koichi Tsuzaki. Segmental bioelectrical impedance analysis improves
the prediction for extracellular water volume changes during abdominal surgery. Crit.
Care Med. 1998 Vol. 26, No. 3: 470-475.
4. Nikolaev D., Smirnov A., Tarnakin A. Bioimpedance analysis with automatically
electrode commutation in equipment for intensive care unit. Proceedings of the XI
International Conference on Electrical Bio-Impedance. June 17-21, 2001, Oslo, Norway:
381-384.
5. Nikolaev D., Smirnov A., Tsvetkov A., Pokhis K. Polysegmental Bioimpedans Method
for Adiposity Investigation. J.Med.Res.,2003 Vol.28 №5.p.334.