2. Биофизические основы метода реографии

Реография – метод графической регистрации изменений сопротивления живых тканей или органов, обусловленных как пульсовыми, так и медленными колебаниями их кровенаполнения.

Метод реокардиографии применяют для исследования сердечной деятельности, основанный на измерении изменений полного электрического сопротивления грудной клетки, связанных с динамикой кровенаполнения сердца и крупных сосудов в течение сердечного цикла. Применяют реокардиографию для изучения гемодинамики в малом круге кровообращения, фазового анализа сердечного цикла, а также для неизнвазивного определения величины ударного объема сердца.

Изменения импеданса участков живой ткани или органов между электродами измерительной схемы, вызываемые колебанием их кровенаполнения, преобразуются в изменения напряжения на выходе схемы, которые затем усиливаются с помощью электронного усилителя и детектируются в виде реограмм.

Биологические объекты с физической точки зрения являются проводниками особого рода, характеристики которых отличают их от любых других проводников. Биологические системы отличаются от других систем сложностью, вариабельностью элементов электрических характеристик аналогичных объектов и высокой динамичностью, обусловленной необходимостью постоянного приспособления к изменяющимся условиям внешней среды. Живые ткани представляют собой сложную гетерогенную структуру, состоящую из областей с различной проводимостью.

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость и сыворотка крови, несколько меньшую – цельная кровь и мышечная ткань, значительно меньше электропроводность жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками являются роговой слой кожи и костная ткань.

Электропроводность (g) - величина, обратная сопротивлению проводника:

где r – велична, характеризующая электрическое сопротивление.

При исследованиях тканей биологических объектов обычно определяют не электропроводность, а сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника выражается формулой:

где ρ – удельное сопротивление, l – длина проводника, s – сечение проводника.

Первые исследования характеристик биологических объектов проводились на постоянном токе и показали, что удельное сопротивление живых тканей измеряется величинами до 10⁵ [Ом*см], что относит их к группе проводников.

Сопротивление участков тела при постоянном токе и электродах площадью 4-5 см² обычно лежит в пределах 5-10 кОм, а при точечных электродах может достигать 100 кОм.

Измерениями установлено, что при прохождении постоянного тока через живые ткани сила тока I₀ не остается постоянной во времени, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать до тех пор, пока не установится на более низком постоянном уровне (I_T). Это объясняется тем, что при прохождении тока через биосистему в ней возникает встречная ЭДС и обусловливает появление в тканях биологической системы поляризационной емкости:

Где Ср – поляризационная емкость, R – сопротивление, I – сила тока, I₀ – начальная сила тока, I_T – конечное значение силы тока.

Изменение силы тока в цепи имеет нелинейный характер, что соответственно свидетельствует о нелинейности сопротивления биологической ткани. Тогда закон Ома для БО записывают в виде:

Где V – разность потенциалов, P(t) – ЭДС поляризации как функция времени.

Поляризационная емкость различных биологических объектов, измеренная при постоянном токе, а также при токе низкой частоты от 50 до 500 Гц достигает больших величин – от 0,1 до 10 мкФ/см².

При пропускании переменного тока через живую ткань в ней возникают также, хотя и в меньшей степени, чем при постоянном токе, поляризационные явления, складывающиеся в основном из внутритканевой поляризации и поляризационных явлений на границе электрод – ткань.

Полное сопротивление живой ткани переменному току определяется суммой активного и емкостного сопротивлений:

Модуль полного сопротивления:

Электрическое сопротивление БО в большой степени зависит от частоты переменного тока. На низких частотах поляризационные явления характеризуются большим значением поляризационной емкости и активного сопротивления. Соответственно с ростом частоты поляризационные эффекты в тканях уменьшаются, а на частотах выше 500 кГц практически отсутствуют.

Принципиальной основой метода реографии является зависимость изменения сопротивления от изменения кровенаполнения в изучаемом участке тела человека.

Другими словами, изучаются пульсовые колебания электрического сопротивления. Более полное представление о пульсовых колебаниях электрического сопротивления получают при учете (соотношении) базового сопротивления исследуемого участка (т. е. суммарного сопротивления тела зондирующему току высокой частоты). Полный импеданс (сопротивление) состоит из двух величин, постоянный или базовый импеданс, обусловленный общим кровенаполнением тканей и их сопротивлением, и переменный или пульсовой импеданс, вызванный колебаниями кровенаполнения во время сердечного цикла. Величина пульсового импеданса ничтожно мала и составляет 0,5-1 % общего импеданса [4]. Вместе с тем пульсовой импеданс составляет объект изучения для реографии.

Рисунок 1- Амплитудно-временные параметры РКГ сигнала

(S^/, Т^/ - моменты начала и окончания изгнания, Г₁, Г₂ – зоны соответствующие моментам формирования Q и S зубцов на ЭКГ, PEP – период изометрического сокращения сердца, ELVET – период изгнания крови левым желудочком сердца, A_d – амплитуда первой производной сигнала РКГ, R(B) – R(T) – разность сопротивлений между точками В и Т).

Для регистрации реограмм используют специальные приборы — реографы, выполненные, как правило, в виде приставок к многоканальным регистрирующим устройствам (полиграфам, электрокардиографам). Основными элементами реографа любой модификации являются генератор тока высокой частоты (обычно не менее 30 кГц), подаваемого через токовый электрод к исследуемому участку тела: датчик-преобразователь «импеданс — напряжение», соединяемый с исследуемым участком тела электродом напряжения (потенциальным); детектор; усилитель сигналов датчика-преобразователя; калибрующее устройство с дискретно включаемыми в электрическую цепь стандартными сопротивлениями (0,01; 0,05; 0,1; 0,2 Ом).

В приборах, конструкция которых позволяет регистрировать не только изменения величины импеданса, но и скорость этих изменений (так называемая дифференциальная реограмма), предусмотрена калибровка кривых в размерности Ом/с. В зависимости от конструкции прибора для записи реограмм могут использоваться одна или несколько из применяемых систем отведений: биполярная, при которой токовые и потенциальные электроды совмещены и представлены двумя электродами, накладываемыми на полярные точки исследуемого участка тела; тетраполярная, при которой между двумя отдаленно расположенными на теле токовыми электродами помещают два потенциальных электрода для измерения изменений напряжения на участке тела между ними; фокусирующая, при которой взаимное положение потенциального (центрального) и токового электродов позволяет проводить локальное (фокусированное) исследование глубоко лежащих органов и тканей.

В реографии преимущественно используется тетраполярная схема наложения электродов реже – биполярная.

Риснок 2 - Биполярная (слева) и тераполярная (справа) схемы наложения электродов

Для записи реограмм используют посеребренные электроды, электроды из алюминия, свинца, нержавеющей стали, меди, латуни, алюминиевой фольги и др. Форма и размер электродов зависят от цели и области исследования. Необходим надежный контакт электродов с кожей для уменьшения переходного сопротивления на границе электрод-кожа; с этой целью рекомендуется обезжиривать кожу под электродами спиртом; целесообразно также применение электродной пасты (смазывание ею нижней поверхности электродов) или помещение под электроды однослойных фланелевых прокладок, смоченных 20% раствором хлорида натрия. При динамических исследованиях важно, чтобы электроды располагались в одних и тех же местах. Запись реограмм производят при скорости лентопротяжки 25—50 мм/с.