Исследование функции внешнего дыхания путем измерения электрического импеданса легких

Скачать 171.26 Kb.

Название	Исследование функции внешнего дыхания путем измерения электрического импеданса легких
Дата публикации	20.04.2015
Размер	171.26 Kb.
Тип	Исследование

100-bal.ru > Физика > Исследование

© В.Ю. Мишланов, 2011
УДК 616.124.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ

ПУТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ЛЕГКИХ

И ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТАХ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
LUNG AND AIRWAYS ELECTRICAL IMPEDANCE MEASUREMENT ON DIFFERENT PROBING CURRENT FREQUENCES FOR

LUNG FUNCTIONAL TESTING STUDY
Виталий Юрьевич Мишланов, д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой пропедевтики внутренних болезней, ГБОУ ВПО Пермская государственная медицинская академия имени акад. Е.А. Вагнера, г. Пермь, mishlanov@permonline.ru

Vitaliy Jurievich Mishlanov, PhD, full professor, the Head of the propedeutic of internal diseases department, Perm state medical academy, Perm
Реферат

Предложен новый метод исследования функции внешнего дыхания, основанный на измерении электрического импеданса легких и дыхательных путей во время ингаляции 0,9% раствора NaCl при различных частотах зондирующего переменного тока. Теоретической основой метода являются данные об увеличении электрического импеданса при локальном сужении проводника переменного тока. Исследование выполнено с помощью программно-аппаратного комплекса «БИА-лаб Спиро». Изучены результаты классической и поличастотной электроимпедансной спирометрии у 10 здоровых и 10 больных бронхиальной астмой (БА). Установлено увеличение модульного значения импеданса на частотах 5000, 10000 и 20000 Гц у больных БА. Результаты корреляционного анализа выявили взаимосвязи ОФВ₁, скоростных показателей выдоха с модульными значениями электрического импеданса дыхательных путей.
Summary

This paper is devoted to clinical results of new lung function diagnostic method estimation. It’s based on electrical impedance of airways and lung parenchyma measurement on different probing electrical current frequencies in the presence of 0,9% sodium chloride solution nebulized inhalation. The theoretical foundation of new diagnostic method is the result showing electrical impedance increasing after local obstruction of the main probing current conductor. Program-apparatus complex “BIA-lab Spiro” was used in present study. Material of study: 10 healthy and 10 asthmatics were examined by classical spirometry technique and new polyfrequent electrical impedance spirometry method. In the group of asthmatics significant increasing of electrical impedance module value on 5000, 10000 and 20000 Hz probing electrical current frequencies was revealed. Significant correlation links were shown between FEV₁, some airflow speed markers and airways electrical impedance module value.
Ключевые слова: электрический импеданс, спирометрия, бронхиальная астма
Key words: electrical impedance, spirometry, bronchial asthma
Актуальность.

Метод измерения легочных объемов известен с середины XIX века, но его активное внедрение в клиническую практику произошло «на наших глазах», в 80-90-е года XX столетия. В настоящее время постановка практически любого пульмонологического диагноза без использования спирографии считается некорректным [1]. Тем не менее, многие вопросы исследования функции внешнего дыхания не удалось решить путем традиционных спирометрических измерений. Особое внимание в последние годы уделяется функции альвеолярно-капиллярного барьера и сосудистого русла. Актуальной задачей является разработка простых методов исследования, так как выполнение спирометрических маневров требует от больного определенных функциональных резервов и не возможно у больных в тяжелом состоянии.

Указанные недостатки могут быть устранимы с помощью измерения биоэлектрического импеданса. В доступных научных публикациях применение данных методов с целью оценки функции внешнего дыхания не описано. В 50-70-х годах XX столетия изучались возможности пульмореографии с целью диагностики легочного кровотока и пульмонологических заболеваний [2; 3]. Однако точность ранее существовавших методов оказалась не высокой, что объясняется неверными теоретическими основами соответствующего периода развития науки.

Биоэлектрический импеданс представляет собой полное комплексное сопротивление биологических тканей переменному электрическому току и имеет две компоненты: характеристики активного и реактивного сопротивлений. Современные теоретические представления о формировании биоэлектрического импеданса указывают на значение локального изменения поперечного размера проводников электрического тока (исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ урал-офи № 09-01-99016) [4]. Попытка предложить регистрацию импеданса с целью оценки функции внешнего дыхания основана на предположении о влиянии локальных изменений просвета дыхательных путей и легочных сосудов на изучаемые характеристики.
Цель исследования состояла в изучении возможностей оценки функции внешнего дыхания с помощью регистрации электрического импеданса легких и дыхательных путей на различных частотах зондирующего переменного тока.
Материал и методы.

Были обследованы 10 практически здоровых лиц в возрасте от 19 до 45 лет, из них 4 мужчин и 6 женщин, а также 10 больных бронхиальной астмой (БА), из них 7 женщин, возраст 19-39 лет. Все больные БА были обследованы в условиях пульмонологического стационара и имели неконтролируемое течение заболевания (GINA 2007). 5 больных БА имели легкое течение, 3 средней тяжести и 2 – тяжелое течение (по классификации тяжести течения БА 2003 г.).

С целью измерения импедансных характеристик применялся оригинальный аппаратно-программный комплекс «БИА-лаб Спиро», основанный на биполярном принципе регистрации биоэлектрического импеданса в диапазоне 2-200 КОм. Использовался автоматический поличастотный метод регистрации не менее 576000 измерений анализируемых параметров (модульного значения импеданса |Z| и фазового угла сдвига φ) на каждом из 6 диапазонах частот зондирующего переменного тока: 20, 98, 1000, 5000, 10000 и 20000 Гц. Время исследования на каждом частотном диапазоне составляло 3 секунды. Общее время регистрации данных – 18 секунд, время исследования около 1 мин.

Методика электроимпедансной спирометрии заключалась в следующем. Тестирование проводили утром перед завтраком или через 2 часа после еды. Первый объединенный (токовый и измерительный) электрод, размером 80 х 15 мм, накладывали на кожу грудной клетки по средней подмышечной линии на уровне VI межреберья справа (1-й вариант), затем слева (2-й вариант), а также использовали одновременное расположение разделенного электрода на симметричных участках по средним подмышечным линиям справа и слева на уровне VI межреберья (3-й вариант). Второй объединенный электрод располагался в мундштуке ультразвукового небулайзера. Электроды подключали к программно-аппаратному комплексу «БИА-лаб Спиро», включали прибор в режиме посекундной визуализации результатов на частоте 20000 Гц. Начинали ингаляцию 0,9% раствора хлорида натрия, на фоне которой (через 1-3 минуты от начала ингаляции) осуществляли запись результатов исследования.

У всех больных проведено полное комплексное клиническое обследование, включавшее спирометрию с определением жизненной емкости легких (ЖЕЛ), форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ), объема форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ₁), индекса Тиффно (ОФВ₁/ЖЕЛ), отношения ОФВ₁/ФЖЕЛ, средней объемной скорости выдоха (СОС_25-75), максимальной скорости выдоха (МОС), пиковой скорости выдоха на промежутке 25% от ФЖЕЛ (ПОС₂₅), пиковой скорости выдоха на промежутке 50% от ФЖЕЛ (ПОС₅₀), пиковой скорости выдоха на промежутке 75% от ФЖЕЛ (ПОС₇₅), минутной вентиляции легких (МВЛ). Исследования выполнены на спирографе Spirosift 5000.

Статистическая обработка выполнена с оценкой распределения признаков, расчетом критерия Манна-Уитни для оценки различий двух выборок, имеющих неправильное распределение [5].
Результаты.

При обследовании здоровых лиц были получены следующие результаты поличастотной электроимпедансной спирометрии (табл. 1-6).
Таблица 1. Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по средним подмышечным линиям с обеих сторон (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	73822,2±14522,60	-41,2±12,11
2	98	34055,7±3888,56	-30,5±7,28
3	1000	18816,8±3410,69	-13,8±2,90
4	5000	16072,6±3586,58	-6,0±1,15
5	10000	15254,4±3837,93	-6,5±1,15
6	20000	14741,5±3848,31	-6,6±0,82

Таблица 2. Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по средним подмышечным линиям

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом) (5%; 95%)	φ (º) (5%; 95%)
1	20	58051,8; 86644,7	-55,2; -33,7
2	98	31685,8; 38543,5	-38,9; -26,1
3	1000	15567,2; 22368,5	-16,7; -10,9
4	5000	13099,6; 20056,0	-6,9; -4,7
5	10000	12219,6; 19568,6	-7,6; -5,3
6	20000	11758,3; 19085,3	-7,5; -5,9

Таблица 3. Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по левой средней подмышечной линии (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	83669,9±57652,89	-40,2±3,68
2	98	35692,1±19465,80	-35,3±12,73
3	1000	16599,0±2659,29	-17,1±11,67
4	5000	12745,3±107,90	-8,0±3,54
5	10000	11732,7±43,63	-8,5±2,97
6	20000	10959,9±41,07	-7,7±1,63

Таблица 4. Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по левой средней подмышечной линии

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	42903,1; 124436,6	-42,8; -37,6
2	98	21927,7; 49456,5	-44,3; -26,3
3	1000	14718,6; 18479,4	-25,3; -8,8
4	5000	12669,0; 12821,6	-10,5; -5,5
5	10000	11701,9; 11763,6	-10,6; -6,4
6	20000	10860,2; 11059,7	-8,9; -6.6

Таблица 5. Средние значения нормальных величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по правой средней подмышечной линии (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	91611,2±53460,60	-40,4±15,12
2	98	40704,4±20713,04	-38,6±15,06
3	1000	16785,4±5209,25	-21,6±16,58
4	5000	13120,2±6361,01	-9,3±6,32
5	10000	12096,7±6737,50	-10,7±7,69
6	20000	11451,8±6961,60	-9,2±4,64

Таблица 6. Границы 5 и 95 персентилей нормальных значений биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей при наложении электродов на уровне VI межреберья по правой средней подмышечной линии

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	40807,1; 147381,7	-56,3; -26,2
2	98	21394,8; 62581,5	-55,7; -27,2
3	1000	12055,3; 22368,5	-40,7; -10,9
4	5000	8467,1; 20368,5	-16,5; -4,7
5	10000	6484,1; 19568,6	-19,5; -5,3
6	20000	5453,0; 19085,3	-14,5; -5,9

Большие значение угла фазового сдвига φ при исследовании на частотах зондирующего переменного тока 20, 98 и 1000 Гц указывают на влияние реактивной составляющей, вероятно обусловленной участием структур грудной клетки пациента, плевральных листков и микрососудистым руслом легких. Модульное значение импеданса на частотах 5000, 10000 и 20000 Гц обусловлено в основном изменением проводящей способности аэрозоля, заполняющего дыхательные пути.

У больных БА выявлены следующие значения показателей поличастотной импедансной спирографии (табл. 7-9).
Таблица 7. Средние значения величин биоэлектрического импеданса легких и дыхательных путей у больных БА при наложении электродов на уровне VI межреберья по средним подмышечным линиям с обеих сторон (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	122857,1±177335,10	-25,7±12,90
2	98	88607,8±143560,80	-22,7±11,50
3	1000	73720,3±129136,69	-11,5±4,80
4	5000	41522,5±77564,53	-9,4±8,54
5	10000	35970,0±45395,49	-12,0±13,45
6	20000	29357,0±34220,11	-15,7±19,43

Таблица 8. Средние значения величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей у больных БА при наложении электродов на уровне VI межреберья по левой средней подмышечной линии (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	266440,0±211135,41	-40,0±17,13
2	98	89487,8±70786,14	-40,6±20,53
3	1000	29144,3±12053,49	-23,5±17,37
4	5000	21394,6±9967,09	-9,4±5,89
5	10000	20676,5±10866,63	-9,6±4,22
6	20000	20930,1±11273,17	-9,0±1,20

Таблица 9. Средние значения величин биоэлектрического импеданса легкого и дыхательных путей у больных БА при наложении электродов на уровне VI межреберья по правой средней подмышечной линии (M±σ)

№ п/п	Частота зондирующего переменного электрического тока (Гц)	\|Z\| (Ом)	φ (º)
1	20	149753,7±97326,71	-43,7±14,38
2	98	65806,8±36978,71	-33,1±12,73
3	1000	30602,2±18789,75	-16,9±6,97
4	5000	26217,8±17709,68	-7,6±1,36
5	10000	24496,9±19424,71	-9,1±1,56
6	20000	25335,3±20086,08	-9,4±2,61

Полученные данные указывают на увеличение модульного значения импеданса на всех частотах зондирующего переменного электрического тока, более выражено на частотах 5000, 10000 и 20000 Гц, что соответствует увеличению длины и сужению диаметра дыхательных путей у больных БА. Достоверных различий величин фазового угла сдвига φ у больных БА по отношению к здоровым не выявлено, что указывает на идентичность путей проведения электрического тока в легочной ткани и дыхательных путях здоровых и больных БА.

Результаты классического спирографического исследования показали следующие изменения в группе больных БА (табл. 10).
Таблица 10. Средние значения показателей классической спирограммы у больных бронхиальной астмой (M±σ)

Показатель ФВД	Значение (%)	Показатель ФВД	Значение (%)
ЖЕЛ	84,7±17,63	ПОС	63,5±34,68
ФЖЕЛ	65,5±30,84	МОС₂₅	78,7±15,82
ОФВ₁	70,5±28,29	МОС₅₀	56,5±16,34
ОФВ₁/ЖЕЛ	68,5±14,55	МОС₇₅	63,5±34,51
ОФВ₁/ФЖЕЛ	102,5±9,15
СОС_25-75	62,5±14,82

Данные табл. 10 свидетельствуют об умеренном характере нарушений бронхиальной проходимости у обследованных больных БА.

Методом корреляционного анализа установлены достоверные взаимосвязи между модульным значением электрического импеданса на частоте 20 Гц и показателями спирометрии: ОФВ₁ (r=-0,47, p=0,0317), СОС25-75 (r=-0,31, p=0,0528), ПСВ (r=-0,41, p=0,0413).

Выбор точки разделения для величины модульного значения электрического импеданса |Z| на частоте 20 Гц 100 Ом позволил получить высокие результаты специфичности и чувствительности нового теста диагностики бронхиальной астмы – Se 100 %, Sp 89,9%.

Применение поличастотной импедансной спирографии для диагностики функции внешнего дыхания у больных БА показало хорошую чувствительность и воспроизводимость результатов, отличалось быстротой выполнения теста, хорошей переносимостью и снижением трудозатрат со стороны пациента.

Таким образом, изменения электрического импеданса легких и дыхательных путей у больных БА характеризуется увеличением, преимущественно, модульного значения и, в меньшей степени, угла фазового сдвига зондирующего переменного электрического тока, наиболее выраженными на частоте 5000 Гц.
Выводы.

Поличастотная электроимпедансная спирометрия является высокочувствительным дополнительным методом диагностики нарушения функции внешнего дыхания у больных бронхиальной астмой.
Изменения электрического импеданса легких и дыхательных путей у больных бронхиальной астмой характеризуются увеличением модульного значения |Z|, наиболее выраженными на частоте зондирующего переменного электрического тока 5000 Гц.
Поличастотная импедансная спирография отличается быстротой выполнения и снижением трудозатрат со стороны пациента, что позволяет использовать метод в случаях выраженной бронхиальной обструкции и при наличии признаков тяжелой дыхательной недостаточности.
Результаты поличастотной электроимпедансной спирометрии продемонстрировали отсутствие различий величин фазового угла сдвига φ у больных БА и здоровых, что указывает на идентичность путей проведения электрического тока в легочной ткани и дыхательных путях в группах исследования.

Литература.

Функциональная диагностика в пульмонологии: Практическое руководство / Под ред. Чучалина АГ.- М.: Издат. холдинг «Атмосфера», 2009.- 192 с.
Гармаш В.Я. Показатели тетраполярной реографии в выявлении нарушений гемодинамики малого круга кровообращения / В.Я. Гармаш, А.В. Соколов, В.Н. Заикин, В.Н. Абросимов // Врачеб. дело.- 1987.- № 7.- С. 20-22.
Анщуков В.К. О систематизации показателей реографии легких / В.К. Анщуков, Ю.Н. Головцев, Е.М. Кучеренко, Н.П. Ткаченко // Врачеб. дело.- 1987.- № 2.- С. 23-25.
Зуев А.Л. Экспериментальное моделирование реографической диагностики биологических жидкостей / А.Л. Зуев, В.Ю. Мишланов, А.И. Судаков, Н.В. Шакиров // Росс. Журн. Биомеханики.- 2010.- Т. 14.- № 3(49).- C. 68-78. (ISSN: 1812-5123).
Герасимов А.Н. Медицинская статистика: Учебное пособие / А.Н. Герасимов.- М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2007.- 480 с.

Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ 11-04-96017.
Виталий Юрьевич Мишланов, д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой пропедевтики внутренних болезней, ГБОУ ВПО Пермская государственная медицинская академия имени акад. Е.А. Вагнера, г. Пермь,

Контактный адрес: 614000, г. Пермь, ул. Пушкина, д. 7, кв. 85., телефон: 89504677696, e-mail: mishlanov@permonline.ru

Добавить документ в свой блог или на сайт

	Состояние микрососудистой реактивности и функции внешнего дыхания... Цель: формировать отрицательное отношение к курению; помочь осознать масштабы вреда курения для здоровья человека		Урок в 8 классе. Тема: Дыхание, его значение. Строение и функции дыхания Цель урока: раскрыть сущность дыхания, его роль в обмене веществ и превращениях энергии в организме человека; строение органов дыхания...
	Перечень вопросов для проведения конкурсного собеседования при поступлении... Физиология дыхательной системы. Основные функции. Респираторная и нереспираторые функции лёгких		Методика исследования органов дыхания Исследование органов дыхания включает сбор анамнеза, осмотр, пальпацию, перкуссию, аускультацию, лабораторные и инструментальные...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образовательные: Учащиеся знакомятся с понятиями работа и мощность электрического тока, единицами их измерения. Учатся рассчитывать...		Конспект урока Единицы измерения длины. Сантиметр. Фио: Габделова Ландыш Марсовна Место работы Цель урока: Путём наблюдения и сравнения познакомить учащихся с современной единицей измерения длины – сантиметром
	Общие сведения и классификация легких бетонов По способу создания искусственной пористости различают следующие разновидности легких бетонов: изготовляемые из вяжущего, воды и...		Тюменский государственный университет «утверждаю»: Проректор по учебной... Функциональные характеристики внешнего дыхания при адаптации человека к действию стрессовых факторов различной этиологии
	Темы рефератов по спортивной медицине. Особенности телосложения и... Функциональное состояние внешнего дыхания у спортсменов (показатели, методы их определения, динамика в макроцикле)		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Дышать медленно и плавно, но без пауз все три цикла. Внимание сосредоточить на органах дыхания. Эффект: обеспечивает эффективную...
	Исследование анизотропии и вариаций космических лучей 10 11 10 20... Нейтринные эксперименты ияи ран во фнал: эксперименты E938 (minervA) и E929 (NOvA)		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цели: 1 обобщить полученные знания обучающихся с овз о системе органов дыхания; раскрыть содержание понятий о болезнях органов дыхания...
	Урока по теме «Исследование функции с помощью производной» Выявить уровень овладения учащимися комплексом знаний и умений по исследованию функции и ликвидировать пробелы в знаниях в соответствии...		Уроков Цели урока: Обобщить знания учащихся по теме «Исследование... Обобщить знания учащихся по теме «Исследование функции на монотонность и экстремумы» и выяснить степень готовности учащихся к контрольной...
	Урок практикум Тема: «Исследование функции с помощью производной» Выявить уровень овладения учащимися комплексом знаний и умений по исследованию функции и ликвидировать пробелы в знаниях в соответствии...		Урок изучения нового Цель урока: Путём наблюдения и сравнения познакомить учащихся с единицами измерения времени

Исследование функции внешнего дыхания путем измерения электрического импеданса легких

Похожие: