Исследование электрического импеданса гематологических контролей методом импульсной импедансометрии

Измерение параметров электрического импеданса биологических тканей находит широкое применение в инструментальных системах медицинской диагностики – реографии, импедансной кардиографии, томографии, а также в системах оценки компонентного состава биологических тканей и жизнеспособности клеточных суспензий [1, 2].

Существующие измерительные приборы биоэлектрического импеданса, построенные по распространённой схеме потенциометрических измерений [3], не позволяют проводить экспресс-измерение параметров электрического импеданса в широком диапазоне частот. Длительное воздействие электрическим током на биологический объект (клеточный материал, кровь, лимфа), обусловленное использованием данных измерительных систем, может привести к необратимым изменениям структуры и, как следствие, внести ошибки в определение частотных характеристик биоэлектрического импеданса, а, следовательно, привести к неточной оценке компонентного состава.

Для изучения уровня гематокрита удобно представить электрический импеданс исследуемой пробы крови в виде модели - электрической эквивалентной схемы замещения [4], элементы Акулов Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники.

которой могут характеризовать свойства отдельных компонент. При исследованиях на макроуровне, в частотном диапазоне до 1 МГц, электрический импеданс биологических тканей носит активно - емкостной характер, и его эквивалентная схема может быть представлена в виде моделей Коула, Ханая, Фрике, Шванна [5].

Сравнительный анализ методов измерения электрического импеданса [6] показывает перспективы использования методики импульсной импедансометрии за счет повышения быстродействия, при этом процесс измерения, т.е. воздействия на пробу крови, осуществляется в течение действия импульса электрического тока, что позволяет получить быструю оценку уровня гематокрита [7]. Согласно этому методу, частотная характеристика биологического объекта, которым в данном случае является контрольная кровь, определяется путём анализа переходной функции. Под переходной функцией подразумевается реакция объекта на тестовое воздействие. В случае определения частотной характеристики импеданса крови в качестве тестового воздействия используется ток, в качестве реакции – напряжение в це-пи электродов, расположенных в пробе крови. После время-частотного преобразования данных передаточная функция рассматривается в пространстве состояний, характеризующих электрические свойства многокомпонентных биологических тканей, что позволяет перейти к электрическим эквивалентам ее составляющих.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №6(3), 2013

Рис. 1. Структурная схема электроимпедансного измерительного преобразователя гематокрита крови

На рис. 1 приведена структурная схема элек-троимпедансного измерительного преобразователя уровня гематокрита крови.

Исследуемая контрольная кровь помещается в измерительную ячейку 1. Измерительный ток с генератора 3 поступает на электроды 2 и вследствие прохождения через кровь вызывает падение напряжения, регистрируемое усилителем 4, коэффициент которого устанавливается микроконтроллером 5. С выхода усилителя 4 напряжение, несущее информацию об уровне гематокрите, поступает на микроконтроллер 5, где вычисляется полное комплексное сопротивление исследуемой крови. Окончательная обработка и отображение полученных результатов осуществляется при помощи ЭВМ 6.

тах (десятки Ом), с другой – погонной емкостью соединительного кабеля (1-5 пФ/м) на высоких частотах. Таким образом, выбор низкой величины (менее 10 кОм) выходного сопротивление генератора приведет к потерям полезной информации о низкочастотной составляющей электрического импеданса крови, в то время, как высокое выходное сопротивление (более 500 кОм) ограничит частотный диапазон измерений до сотен килогерц. Таким образом, с целью проведения измерений в частотном диапазоне до 1МГц, был выбран генератор с выходным сопротивлением 100 кОм.

Выбор параметров тестирующего импульса тока осуществляется с учетом данных о постоянной времени электрического импеданса контрольной крови и заданной погрешности измерений. Используемая методика импульсной импедансо-метрии подразумевает воздействие на исследуемую пробу крови токовым импульсом, повторяющим по форме функцию Хевисайда. На основе анализа взаимосвязи параметров тестирующего импульса и заданной погрешности измерения (5 %) электрического импеданса контрольной крови [9], был выбран генератор тестирующего импульса тока, длительностью 1 мс, при этом длительность фронта тестирующего импульса тока составила 0,1 мкс.

Разработанный измерительный преобразователь был использован при моделировании

Рис. 2. Частотные характеристики модуля электрического импеданса

Технические параметры и метрологические характеристики используемого генератора тестирующего тока были определены на основе анализа экспериментальных данных [8] электрического импеданса контрольной крови (рис. 2).

Выбор оптимальной величины выходного сопротивления генератора ограничен с одной стороны – конечным значением активной составляющей электрического импеданса крови на низких часто-

Рис. 3. Модель Коула

Рис. 4. Зависимости уровня гематокрита от величин параметров R1(а), R2(б), С1(в): 1 – BIORAD, 2 – LABIX

электрического импеданса гематологических кон-тролей фирм BIORAD и LABEX. Для случая исследования уровня гематокрита контрольная кровь рассматривалась как двухкомпонентная система «эритроциты – среда». Для аппроксимации экспериментальной частотной характеристики была использована модель Коула [5], показанная на рис.3. Аппроксимированные зависимости параметров модели Коула от уровня гематокрита приведены на рис. 4.

Полученные зависимости параметров эквивалентных схем замещения от уровня гематокрита могут быть использованы для построения приборов для определения уровня гематокрита в пробе крови. Данные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования метода импульсной импедансометрии для экспресс-оценки уровня гематокрита крови при неотложной помощи и в условиях палат реанимации и интенсивной терапии.

• 3.

• 4.

• 5.

• 6.

• 7.

• 8.