Диссертация (Биотехническая система окклюзионной многоканальной электроимпедансной локализации периферических венозных сосудов), страница 4

Метод венографии позволяет увидетьвсе вены, расположенные на поверхности ткани или более глубоко (Рисунок1.8).С помощью рентгеновских снимков можно отображать вены наповерхности ткани перед операцией или лечением[18].23Рисунок. 1.8. Венограмма плеча и предплечья[18]Венографияимеетширокиедиагностическиевозможностиииспользуется для выявления и лечения многочисленных нарушений (тробозы,варикозные расширения вен), но требует инъекции контрастного веществачерез уже установленный венозный доступ.

Требуется также значительноеколичество радиации, применяемой в данной методике.1.2.4.Электроимпедансныеметодылокализациипериферическихвенозных сосудовВеличина импеданса биологического объекта существенно зависит отудельных сопротивлений тканей, входящих в его состав[19].Электрические свойства тканей организма характеризуются такимипараметрамикакудельнаяэлектропроводность,характеризующаяконцентрацию ионов, и их подвижность, диэлектрическая проницаемость,определяющая уменьшение электрического поля при его распространении втканях.Диэлектрическиесвойстватканейорганизмаопределяютсяприсутствием в них воды, растворенных в воде макромолекул, а такжекомпартментализацией клеточных и макроскопических структур[20].Клетки биологических тканей можно рассматривать как совокупностьэлектрических компонентов таких как, резисторы и конденсаторы. При этомполный электрический импеданс живых тканей равен сумме активного иреактивногосопротивлений.Реактивноесопротивлениезависитот24характеристик мембраны ткани (ионных каналов, жирных кислот, щелевыхконтактов и т.д.) и в основном зависит от характеристик внеклеточнойжидкости.

Увеличение внеклеточного содержания воды, высокая концентрацияэлектролитов, крупные клетки, и большое количество клеточных соединений спомощью щелевых контактов приводят к уменьшению сопротивления живыхтканей, например кровь и мышцы. Массы жира, кости и воздуха действуют какрезисторы и тем самым приводят к увеличению общего сопротивлениятканей[21].Для расчета электрических характеристик БО возможно представить ввиде электрической эквивалентной схемы (Рисунке. 1.9). Внеклеточное ивнутриклеточное пространства представлены в виде резисторов, так как ониимеют высокую проводимость за счет содержания в них ионов соли.

Клеточнаямембранаявляетсядиэлектриком,поэтомупредставленанаЭСконденсатор[22].Рисунок 1.9. Электрическая модель биологической тканиR1 – сопротивление межклеточной жидкости; R2 – сопротивлениевнутриклеточной жидкости; С – емкость мембраны; Z – электрическийимпеданс [22]как25Импеданс биологических тканей зависит от частоты (Рисунок 1.10).

Принизких частотах практически весь ток протекает через внеклеточноепространство, так что общее сопротивление в значительной степени являетсярезистивным и эквивалентно внеклеточном пространстве. Внеклеточноепространство обычно составляет около 20% или менее от общего состава тканито в результате сопротивление является относительно высоким. На болеевысоких частотах, электрический ток проходит непосредственно черезклеточные мембраны, что приводит к уменьшению емкостной составляющейимпеданса[21].Рисунок 1.10. Электрические токи в биологической ткани при воздействииЭМП[3]. ____ низкие частоты,……… высокие частотыВажным свойством биологических тканей, показывающим зависимостьимпеданса от частоты является дисперсия.

Графическая дисперсионнаязависимость импеданса от частоты, впервые была показана в 1955 годуSnhwan[22].На Рисунке 1.11 представлена зависимость электрических свойствразличных тканей организма от частоты. По мере увеличения частоты ЭМПувеличиваетсяэлектропроводностьпроницаемость[23].иуменьшаетсядиэлектрическаяЭлектрические проводимости некоторых биотканей взависимости от частоты ЭМП приведены в Таблицах.1,2.[24-27].26Рисунок. 1.11 Зависимость электрических свойств различных тканейорганизма от частоты[23]Таблица 1.Электрические проводимости некоторых биотканей в зависимости отчастоты тока зондированияИзмерения In-Vitro проводимости 1/ρ (мСм/м)1 кГц10 кГц 100 кГц 1 МГц 10 МГцмышца (попер.)300350400500600мышца (продол.)500500500600700легкие (вдох)506080100200Жир22232324250Почка120150200300500Печень405090200300кожа (in-vivo)0,7460300400мозг (сер.вещ.)10013015020030027Таблица 2.Удельные сопротивления некоторых биотканей на частоте 100 кГцρ, Ом۰м(100 кГц)1,60,72,55,61,913,211,221,72517715158215ТканьКровьПлазмаМиокардСкелетнаямышцаЛегкие (вдох)ЖирКостьСпинномозговаяжидкостьПечень0,77Примечание СсылкиHct = 45Geddes, Sadler, 1973Barber, Brown, 1984продольн.Rush, Abildskov, McFee, 1963попереч.продольн.Epstein, Foster, 1982попереч.Schwan.

Kay, 1956Rush, Abildskov, McFee, 1963Geddes, Baker, 1967Rush, Driscoll, 1969продольн.Saha, Williams, 1992кольцев.радиал.Barber, Brown, 1984Rush, Abildskov, McFee, 1963Удельное электрическое сопротивление крови в основном зависит отвеличины гематокрита. Для количественных оценок часто используютсяаппроксимирующие зависимости, предложенные Geddes, Sadler (1.1) иMaxwell-Fricke (1.2) [28]. Зависимости ρG(Hct) и ρM(Hct) соответственнопредставлены на Рисунке. 1.12. Физиологический диапазон удельногосопротивления крови в норме находится в пределах от 135 до 150 Ом·см.[2]  0.537  e 0.025Hct1  0.0125  Hct  0.586 1  0.01 HctГде ρ- удельное электрическое сопротивление, Hct- гематокрит.(1.1)(1.2)28Рисунок.

1.12. Зависимости удельного сопротивления крови от показателягематокрита[28]Электроимпедансный метод локализации сосудов применяется в основномзападными и отечественными учеными для инвазивного и малоинвазивногоприменения в работах связанных с определением типа ткани.В работах [29-31] предложен инвазивный метод локализации крупныхкровеносных сосудов. Метод основан на пропускании электрического токачерез иглу в трехэлектродной установке.Система из 10 монополярных игольчатых электродов (Рисунок 1.13)погружается в исследуемую ткань с целью обеспечения быстрого сосудистогодоступа для охлаждения и контроля реперфузии пациентов с остановкойсердца.Метод основан на классификации типа биологической ткани.

Измеренияэлектрическогоимпедансаифазовойхарактеристикидляобразцовбиологической ткани проводились в частотном диапазоне от 10 Гц. до 1 МГц..На Рисунке 1.14 представлена электроимпедансная томограмма обнаруженныхкровеносных сосудов с области локализации бедренной артерии выполненныхна частоте 316 кГц..Однако, данный метод является инвазивным и не позволяет определитьпроекцию вены на поверхность кожных покровов.29Рисунок.

1.13. Система электродов инвазивной локализации сосудов[31]Рисунок. 1.14.Электроимпедансная томограмма обнаруженныхкровеносных сосудов [31]В работах[32-39] была разработана биотехническая система для контроляпункции и инъекции венозных сосудов, на основе измерения электрического30импеданса. Основной особенностью данной системы являлось использованиеизолированной иглы-электрода.Физическая сущность метода электроимпедансного контроля качествавенепункции заключается в том, что на поверхность исследуемого БОустанавливаетсяэлектроднаясистемаиздвухэлектродов:электродарасположенного на поверхности БО и игольчатого электрода. Междуэлектродами пропускается переменный ток известной величины и измеряетсяразность потенциалов. Так как удельное электрическое сопротивлениевенозной крови в разы ниже, чем у окружающих тканей, измеряемый импедансиглыотносительнореферентногоэлектродауменьшаетсявмоментпроникновения неизолированной иглы-электрода в кровь (Рисунок 1.15).Рисунок 1.15.

Электроимпедансный метод контроля качества венепункции[3]Данная система применяется для контроля проникновения инъекционнойиглывпросветвенозногососуда,нонепозволяетлокализациюпериферических вен.В связи с перечисленными особенностями известных прототипов вдиссертации предложено разработать биотехническую систему неинвазивнойлокализации периферических вен на основе измерения электрическогоимпеданса.311.3.Основные принципы построения биотехнической системыокклюзионной многоканальной электроимпедансной локализациипериферических венозных сосудовФизическая сущность МЭМЛПВ заключается в том, что на поверхностьобласти исследования устанавливается система токовых и потенциальныхэлектродов.

Между токовыми электродами пропускают зондирующий ток, апотенциальныеэлектроды,предназначенныедляизмеренияразностиэлектрических потенциалов. Измеренные значения электрического импедансанесут информацию об электрических свойствах структур на глубинахзондирования тока в ткани организма. В диссертации областью зондированияэлектрическоготокаявляетсяпредплечье,состоящееизкомплексабиологических тканей таких как: мышечная ткань, венозные сосуды, жироваяткань, соединительная ткань, слой кожи. Ткани обладают различнымиэлектрофизическимисвойствами,вчастностиразнымудельнымсопротивлением (Рисунке 1.16).Рисунок 1.16. Удельное электрическое сопротивление различныхбиологических тканей[3]1 – кровь; 2 – мышечная ткань; 3 – подкожно-жировой слой; 4 – стенкакровеносного сосуда; 5 – соединительная ткань32Значение удельного электрического сопротивление венозной крови вразы ниже, чем у окружающих тканей (Рисунке.1.16), что дает возможностьлокализовать венозные сосуды, поскольку при этом расположении венызначение кажущегося сопротивления (КС) минимально (Рисунок 1.12).Рисунок 1.17.

Измеряемый импеданс при локализации веныr- смешение электродной системыПрименение МЭМЛПВ дает потенциальную возможность повыситьточность определения проекции вены на поверхность кожных покровов. Крометого применение окклюзии венозных сосудов может повысить степень ихвизуализации при использовании электроимпедансных измеренийОднако, предварительный анализ показывает что для разработкиподобнойтехнологиилокализациипериферическихвенозныхсосудовнеобходимо решить следующие научно-технические задачи:1.Исследование механизма влияния геометрических параметров иглубин залегания кровеносных сосудов на величину импеданса;2.Обоснование и разработка метода измерения;333.Разработка и исследование эффективности метода локализациипериферических венозных сосудов;1.4. Выводы к главе 11.ПВД считается наиболее востребованными для клиническихманипуляций с сосудами, поскольку он является мало инвазивным и частоиспользуется для пункции.2.Для локализации периферических венозных сосудов в современноймедицинскойпрактикеширокоприменяютсятакиеметодыкак:ультразвуковые, оптические, рентгеновские и электроимпедансные методы.3.МЭМЛПВ является перспективным методом.

Поскольку даннаяметодика не требует дорогостоящей аппаратуры и дополнительного обучениямедицинского персонала.4.Применение МЭМЛПВ дает потенциальную возможность повыситьточность определения проекции вен на поверхность кожи34ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИМНОГОКАНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОГО МЕТОДАЛОКАЛИЗАЦИИ ПЕРФЕРИЧЕСКИХ ВЕНмоделирование2.1.Математическоераспределенияэлектроимпеданса в однородной среде с цилиндрическим включениемИзмеряемый импеданс между электродами зависит от геометриирасположения и характеристик биоткани.

И так как кровь в сосудах имеетнаименьшее удельное сопротивление, это потенциально позволяет определитьрасположение сосудов.Дляисследованиямеханизмавлияниягеометрии,расположения,размеров и проводимости кровеносных сосудов на величину измеряемогоимпедансаследуетрешитьзадачуэлектроимпедансометрии.Онаформулируется как нахождение значения потенциала электрического тока,протекающегочерезбиотканиссоответствующимиэлектрическимихарактеристиками.