ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЩЕГО ИМПЕДАНСА НЕКОТОРЫХ ТКАНЕЙ.
Санкт-Петербургский Государственный Университет Точной Механики и Оптики
(СПбГУИТМО).
Коротков К. Г.,  Гришенцев А.Ю.
Введение
Как показал ряд исследований, например [1-4], возможно выявление объективно значимой информации о живых объектах, путем исследования динамического  изменения  комплексной  проводимости  биологических тканей, на частоте из диапазона 0,1 – 10МГц. Данный ряд исследований проводился с применением аппаратно-программного комплекса ИПЧ [3]. Данные  полученные при  исследованиях, стимулируют  более  детальное изучение биофизических процессов, проявляющееся в тканях в ответ на раздражение  внешним  электромагнитным  полем в  рассматриваемом диапазоне частот.  В  существующей  модели  ИПЧ,  применялся  метод измерения интегральной суммы тока в диапазоне частот 2 – 4 МГц, данный диапазон был выбран на основе исследований рассмотренных в [5].
Как показал,  дополнительный,  более  поздний,  анализ  выбор  данного диапазона,  нельзя  считать  окончательным,  что  и  будет  наглядно продемонстрировано  в  данной  работе.  Также  важно  отметить,  что  на современном  рынке  биомедицинского  оборудования  существует недостаток  приборов,  использующих  комплексный  анализ  данных полученных в результате измерения импеданса тканей в диапазоне единиц, десятков, сотен МГц
Задачи локальных исследований
Изучение электропроводящих свойств некоторых живых и пробных биологических  тканей,  а  также  некоторых  биологических  и физиологических  жидкостей  в  диапазоне  0.1 –  10  МГц,  выявление особенностей  изменения  комплексного  сопротивления  биологических объектов  во  времени,  в  данном  диапазоне,    определение  наиболее информативного  частотного  диапазона  в  предложенном  интервале.
Математическое моделирование электробиологических процессов, с целью выявления  природы  происходящих  процессов,  возможности  научного объяснения и полноценного анализа полученных результатов.
Приборы и материалы
1.Анализатор спектра СК4-59.
2.Персональный компьютер.
3.Устройство передачи (УП) данных из СК4-59 в ПК.
4.Программа для приема данных от УП и перевода в числовые ряды.
5.Устройство—контейнер с встроенными электродами для исследования жидкостей, двухэлек-тродный манжет.
6.Программы Excel, Statistica.
Методы исследований
В  процессе  исследования  были  произведены  измерения  и предварительный  анализ  ампли-тудно-частотной  характеристики  (АЧХ) сопротивления биологических тканей и объектов, некоторых жидкостей.
Динамического  поведения  АЧХ  в  зависимости  от  времени  и воздействующих факторов.
В  исследовании  применялся,  тестовый  сигнал  генерируемый анализатором  спектра  СК4-59,  после  необходимой  согласующей  схемы анализировался  и  через  блок  оцифровки  в  относи-тельных  единицах показывающих  значение  тока  выводился  на  ПК. Напряжение  первой гармоники измерителя 71 мВ эфф., погрешность не более +10%, в рабочих условиях.  Значение  уровня  одиннадцатой  гармоники  сигнала  не  менее минус  70  дБ  относительно  уровня  первой  гармоники.  Уровень  не гармоничных составляющих в сигнале следящего генератора на нагрузке 50 Ом не более минус 40 дБ, относительн6о уровня первой гармоники.Измерения человека производились при помощи подключения двух физиологических электродов (сигнального и измерительного) на запястье руки.При  помощи  подключения  физиологических  электродов  к постоянным заранее выбранным точкам производились измерения АЧХ модели, в качестве модели не живой ткани была выбрана свиная тушка.
Регистрация  АЧХ  жидкостей  производилось  в  устройстве—контейнере,  с  регулируемым  рас-стоянием  между  плоскими  стальными электродами  площадью  314  мм2.  Причем  жидкость  находилась  в прямоугольном полимерном, диэлектрическом контейнере (40 x 60 мм.) 40 мкм.,  расположенном между  тестирующими  электродами,  т.  е.  прямой контакт жидкости с электродом исключался.
Измерение АЧХ тканей человека
Ряд экспериментальных наблюдений показал, что при измерениях в диапазоне 1—10 МГц был замечен интересный эффект в области 4,5—6 МГц (рис. 1). Для сравнения, приведена АЧХ нагруз-ки  сопротивлением 5,1  кОм.  На  основании  полученных  данных  было  принято  решение про-изводить дальнейшие измерения в диапазоне близком к 2—8 МГц.
Измерение электропроводящих АЧХ тканей человека производилось при помощи  стандартных  физиологических  электродов.  Подключение осуществлялось к тыльной и фронтальной сторонам запястья.

Один из возможных вариантов выявления динамических изменений АЧХ  для  тканей  человека,  связанных  с  изменением  его психофизиологического состояния, измерение до некоторого раздражителя и после. В качестве такого раздражителя был выбран стандартный тест раздражитель «глубокий вдох».
Порядок  тестирования:  исследуемому  предлагалось  принять удобную позу в кресле, после чего на запястье левой руки одевался манжет с двумя электродами, сигнальным и измерительным. Далее производилось две последовательные  съемки  с  интервалом  10  сек  (обозначены  на графиках «до 1» и «до 2», соответственно), далее предлагалось сделать три глубоких  вдоха,  что  занимало  от  30  до  60  сек.,  в  зависимости  от физиологических  особенностей  исследуемого.  Затем  производилась повторная съемка с интервалом 10 сек, обозначены на графиках «после 1» и «после 2», соответственно.Всего в наблюдении участвовало 9 человек, ниже приведен график(рис. 2) отражающие наиболее характерные тенденции изменения АЧХ. По результатам теста можно сказать, что для большинства участников (в семи случаях) наблюдается изменение амплитуды АЧХ, после теста, увеличение значений, на 5 – 10% с сохранением общей формы. У двух тестируемых изменений практически не наблюдалось. Амплитудное изменение АЧХ, для  выбранных  точек  подключения, и  последовательных  измерений  в промежутке времени 10 мин, без теста раздражителя, составляет не более 2%. Надо отметить, что при изменении точки приложения электрода или изменении силы контактного нажатия, также возможно значительное  в среднем  до  15 –  20%,  изменение  амплитуды  АЧХ.
  Поэтому  при тестировании  электроды  по  возможности  оставались  неподвижными. Также  необходимо  сказать,  что  при  движении  или  переподключении электродов наблюдается динамические изменения АЧХ равновероятно, как в большую, так и в меньшую сторону, в то время, как для теста во всех случаях изменения АЧХ наблюдался прирост значений.

Графики изображенные на рис.3, демонстрируют изменение формы АЧХ  в  интервале  времени  48  часов.  Изменение  формы  АЧХ  при длительных измерениях наблюдаются для всех тестируемых, в то время как при кратковременных измерениях изменяется только амплитуды.



Исследование модели тканей человека
В  качестве  модели  тканей  человека,  как  уже  было  сказано, использовалась  свиная  лапка.  Электроды  подключались  в  заранее выбранном  месте.  Измерения  происходили  при  температуре  +220С,  в промежутках  времени  между  измерениями  объект  сохранялся  в холодильной  камере.Измерения  производились  три  дня,  каждый  день регистрировалось по три АЧХ.На (рис.6), представлены данные исследования модели. Видно, что общий характер АЧХ отличен от характера АЧХ для живых человеческих тканей, что скорее всего обусловлено изменением клеточных структур и количества жидкости в тканях после смерти. Интересно также отметить тенденцию к снижению амплитуды АЧХ во времени (от дня ко дню), возможно это объясняется потерей воды тканевыми структурами. Видно что для наиболее «свежей» модели все АЧХ совпадают (разность АЧХ составляет 0.2–0.4%), АЧХ отснятые позднее имеют разность в пределах одного дня 2 –3%, при том, что погрешность измерений для прибора СК4-59,  при  рабочих  настройках  можно  оценить  по  формуле  (1),  они составляют не более 0,11% :∆f=10-6 f + P + (1/T),(1)
где f– измеряемая частота, Гц; P– полоса пропускания, Гц (по переключателю полоса кГц); T–время счета, с (по переключателю время счета мс).

Объяснение полученных результатов
Для анализа полученных данных необходимо понять какие ткани вовлечены в процесс формирования общего электрического сопротивления на данных частотах (2 – 8 МГц), при прохождении тока через тело. Для этого оценим эквивалентную глубину проникновения тока по формуле (2):
Для  различных  тканей  зависимость  эквивалентной глубины проникновения  от  частоты  пред-ставлена  на(рис.7).  Видно,  что минимальная  глубина  больше  радиальных  размеров  руки  в  области запястья  это  говорит  что  в  формирование  электропроводящих  свойств тканей на ча-стотах в выбранном диапазоне вовлечены все ткани, в том числе и глубоко подкожные.
Что происходит в биологических тканях при прохождении  по  ним  токов  указанных  частот.  Ответ  на  этот  вопрос достаточно широко изучен и освещен в литературе  [7,8].

где коэффициент K, величина учитывающая радиус клетки, емкость мембраны,  удельную  проводимость  мембраны,  диэлектрические проницаемости наружной и внутренней среды, проводимости наружной и внутренней  среды  и  абсолютную  диэлектрическую  проницаемость вакуума.
Вращающий момент пропорционален мнимой части параметра К и квадрату напряженности вращающегося поля:

Предположим,  что  особую  форму  функциям  АЧХ  (рис.  1  –  3), придают  именно  проявление  эффектов  диэлектрофореза  и электровращения.  Почему  тогда  подобный  эффект  не  наблюдается  для  крови (рис. 4), она ведь содержит в себе биологические клетки. Ответ на вопрос  заключен  в  том,  что  все  кровяные  клетки  взвешены  в физиологическом  растворе  естественного происхождения, плазме  крови, в которой находятся  ионы (около 0,9 % от массы воды), в диссоциированном  состоянии,  что  обуславливает  протекание  тока,  между  клетками,  и  их влияние  на  общий  импеданс  не  так  велико  как  в  плотных  тканях. Интересно  отметить,  что  большинство  солей  в  организме  находятся  в  диссоциированном   состоянии,  это  обусловлено  наличием  растворителя воды  и  внутренних  биотоков.  Необходимо  отметить,  что  эффекту электровращения  подвержены  все  поляризованные  структуры.  В биологических  тканях  это  преимущественно  белковые  молекулы, входящие  в  состав  клеточных  мембран,  причем  частоты  из  соственных колебаний  находятся  в  диапазоне  10^4-10^8  Гц.    Так  поворот  на  1  радиан фосфолипид совершает  примерно за 10^-9 с, родопсин – за 10^-6 [9].
Изменение формы АЧХ связано с изменением значений реактивной составляющей  общего  им-педанса  тканей  человека.  Для  плотных  тканей дисперсия  электропроводности  обусловлены  линейными  размерами клетки,  особенностями  состояния  мембраны,  проводящими  свойства-ми внутриклеточной и межклеточной жидкости.  Изменение этих  параметров приводит к изменению формы АЧХ.
У погибших клеток наблюдается разрушение клеточных мембран, и потеря  жидкости.  Разруше-ние  клеточных  мембран  подобно  разрушению диэлектрической обкладки конденсатора. Если при целой мембране через ткани  протекали  преимущественно  токи  смещения,  то  после  раз-рушения мембран в общем токе возрастает доля тока проводимости. Таким образом, характерная  дисперсия  диэлектрической  проницаемости  свойственная живой ткани практически не наблюдается у погибшей.  Изменение  амплитуды  при  неизменной  форме  АЧХ  говорит  о изменении активной составляющей полного импеданса, преимущественно за счет кожной перспирации.

Обсуждение
  В  результате  проделанной  работы  были  получены  интересные данные,  на  основании  кото-рых  можно  сделать  предварительные  выводы, что анализ АЧХ тканей человека можно исполь-зовать для неинвазивного анализа их свойств, связанных с его физическим и психофизиологиче-ским состоянием.  Применение  модели  диэлектрофореза  хорошо  объясняет полученные дан-ные. 
  По  результатам  исследования  можно  сделать  предварительные выводы о том, что АЧХ для человека в диапазоне 2 – 8 МГц :
1.  Имеет  специфическую  форму,  за  счет  проявления диэлектрофоретических свойств клеточных мембран.
2.  Стабильно по форме в относительно не большие (порядка нескольких часов),  интервалы  времени,  при  условии  отсутствия  вмешательства  в клеточные процессы внешних факторов, например  при  хирургических операциях о поведении АЧХ данных нет.
3.  Изменяется  по  амплитуде  под  действием  изменения  текущего психофизиологического  состояния  человека,  вследствие  изменения уровня кожной перспирации.

Список литературы
1.  Филиппосьянц Ю.Р., Филатов С.И., Коротков К.Г., Нечаев Д.А. Новый метод приборного     выявления лиц с повышенным уровнем стресса. «Спорт и Здоровье» / Труды I межд. научный конгресс. СПб. 2003. Т.2 . С.173-175.
2.  Гришенцев  А.Ю.  Регистрация  проявления  реакции  человека  на стандартные тесты раздра-жители при помощи прибора ИПЧ. СПб. ГУП НИИФК /Сборник трудов конференция. СПб. 2005.
3.  Коротков  К.Г.,  Гришенцев  А.Ю.  Анализ  принципов  работы  прибора измеритель  интеграль-ной  суммы  токов  высокой  частоты.  «Наука. Информация.  Сознание.»  /  IX  Международный  научный  конгресс  по ГРВ биоэлектрографии. Изд-во. «Университетские телекоммуникации».
С-Пб. 2006. стр.112.

http://www.moveinfo.ru/opendata/file/pd … s_2007.pdf