Особенности и возможности биоимпедансометрии крови

Введение. Биоимпедансометрия или кондуктометрия крови давно применяется для определения параметров крови, используемых в диагностике. В силу специфики крови как дисперсной среды, ее электропроводность непосредственно связана с относительным объемом непроводящей фазы, т.е. эритроцитов. Поэтому большинство случаев применения биоим-педансометрии для исследования крови посвящены именно определению гематокрита [1–6]. Накопленный опыт измерения электропроводности крови позволил достоверно установить следующие особенности. Электропроводность крови - σ связана с электропроводностью плазмы -σ о и относительным показателем гематокрита - Н следующим соотношением [7]: 3

сг = сг0(1 - Н)=. (1).

Это соотношение (1) получено для электропроводности эмульсий с непроводящими включениями и отражает электропроводность крови до частоты 100 кГц [8], выше которой эритроциты уже не могут рассматриваться как непроводящие включения в силу уменьшения емкостного сопротивления мембран. Частотную зависимость импеданса крови хорошо отражает эквивалентная схема Fricke и Morse, состоящая из параллельно включенных сопротивления R1 и последовательной цепочки R2C [9], в которой R1 определяется электропроводностью крови, R2 – цитоплазмой эритроцитов, а С представляет эквивалентную емкость эритроцитарных мембран. Использование частотной зависимости импеданса биообъектов часто называют импедансной спектроскопией, которая находит применение и для крови [10]. Чаще всего для расширения числа непосредственно измеряемых параметров и, соответственно, числа определяемых по ним параметров крови используются низкочастотное и высокочастотное значения электропроводности крови. Низкочастотными считаются значения электропроводности крови в диапазоне 10–100 кГц, для которых применимо соотношение (1). Высокочастотными считаются значения электропроводности крови при полном вкладе в нее электропроводности цитоплазмы эритро- цитов. Это возможно лишь при пренебрежимо малом емкостном сопротивлении мембран эритроцитов, либо в результате их гемолиза. Неоднозначность в определении частот, соответствующих достижению предельного высокочастотного значения электропроводности крови [3, 11], а также выражений, связывающим высокочастотную электропроводность крови с электропроводностью плазмы и цитоплазмы послужили поводом для проведения исследований, результаты которых представлены в данной статье.

Цель исследования - определение особенностей частотной зависимости модуля биоимпеданса крови со значениями гематокрита и модуля биоимпеданса плазмы крови.

Материалы и методы исследования. Исследования проводились на кафедре медицинской биофизики Саратовского государственного медицинского университета имени В.И. Разумовского на пробах крови доноров, полученных и аттестованных в Саратовской областной станции переливания крови. Пробы крови обрабатывалась антикоагулянтом в соответствии со стандартным методом определения гематокрита. Для каждой пробы крови снималась частотная зависимость импеданса цельной крови и затем плазмы, образовавшейся после оседания эритроцитов в вертикально установленной пробирке. Измерялся модуль импеданса в диапазоне частот 10 кГц – 10 МГц на измерительной установке, использованной в работе [12]. В ней для измерения импеданса последовательно с измерительной ячейкой включается постоянное сопротивление R0 и последовательно измеряются напряжение на нем U1 и напряжение на ячейке U2. Это позволяет определить модуль импеданса как Z=(U2/U1)·R0. В качестве источника энергии использовался генератор Г3-112, выходное напряжение которого подавалось на всю цепь, т.е., на последовательно соединенные R0 и ячейку. Напряжения U1 и U2 измерялись ламповым вольтметром В3-39, переключаемым с R0 на ячейку. Измерительные ячейки представляют собой пластиковую трубку с внутренним диаметром 4,5 мм, в которую вплотную вставлялись никелированные электроды в виде стаканчиков. Один из электродов имеет сквозное отверстие диаметром 1 мм для выхода воздуха при заполнении ячейки исследуемой жидкостью. Константа каждой из ячеек (отношение расстояния между электродами к площади сечения) определялась по измерению на 50 кГц сопротивления ячейки, заполненной 0,9 % раствором NaCl с известной электропроводностью (1,6 Ом-1м-1).

Результаты исследования и обсуждение. На рисунке 1 представлены типичные частотные зависимости модуля импеданса образцов крови с разными значениями гематокрита и импеданса плазмы крови. Вид приведенных кривых полностью соответствует частотной зависимости импеданса эквивалентной схемы Fricke и Morse. Низкочастотная область кривой демонстрирует постоянство значений импеданса крови от 10 до 50–100 кГц. Это свидетельствует об отсутствии влияния поляризации электродов, а также о воз- можности применения формулы (1) для электропроводности крови. В отличии от крови импеданс плазмы практически не зависит от частоты. Небольшое уменьшение его в мегагерцовой области отражает начальный участок дисперсии электролитов с полярными растворителями [12-13], т.к. плазму можно рассматривать как водный раствор электролита. В меньшей степени уменьшение импеданса в диапазоне 2–10 МГц наблюдается и у цельной крови, что можно объяснить той же причиной. Поэтому в исследовании за высокочастотные значения электропроводности крови принимались ее значения, соответствующие частоте 5 МГц, а не 10 МГц. При этом наблюдалось наилучшее совпадение значений гематокрита, определенных биоимпедансным методом с измеренными стандартным методом центрифугирования. Данные, полученные по всем пробам крови, приведены в таблице 1.

Рис. 1. Частотные зависимости модуля импеданса крови и плазмы крови

В порядке расположения столбцов в таблице 1 приведены: показатель гематокрита, определенный центрифугированием Нt(%), низкочастотная электропроводность крови σ1 и электропроводность плазмы σ0 (при частоте тока 50 кГц), высокочастотная электропроводность крови σ2 (при частоте тока 5 МГц), относительный показатель гематокрита, определенный по формуле (1). Значения всех электропроводностей даны в Ом-1м-1. Пояснения величин, приведенных в последних трех столбцах таблицы, даны ниже.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные биоимпедансометрии проб крови доноров