ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСОМЕТРИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ

В настоящее время среди множества стремительно развивающихся методов диагностики состояния биологических тканей большое внимание привлекают методы электроимпедансометрии, характеризующиеся экспрессностью, неинвазивностью, достаточной комфортностью, безопасностью и объективностью, что позволило качественно изменить уровень диагностики в большинстве разделов медицины. Известны работы получившие успешное применение в области маммографии, кардиологии, оценки водного баланса организма и других областях. Методы электроимпедансной диагностики вызывают большой интерес при оценке процесса репаративной регенерации костной ткани (остеорепарации). Большую роль в механизме остеорепарации играют процессы кровенаполнения и поступления минеральных веществ в зону повреждения, стимуляцию которой можно проводить искусственно с помощью внешнего стимулирующего электромагнитного воздействия. Создание биотехнической системы контроля и стимуляции процесса восстановления костной ткани позволит существенно сократить сроки реабилитации больных с повреждениями и заболеваниями опорно-двигательного аппарата, что в свою очередь приведет к снижению экономических затрат на содержание и обслуживание пациента и длительности его иммобилизации.
На сегодняшний день на базе Читинского государственного университета ведутся работы по разработке технической системы, предназначенной для контроля состояния костной ткани, с использованием электроимпедансометрии, а также управления процессом остеорепарации с использованием электрической стимуляции. Разрабатываемая система позволяет получать информацию о распределении электрической проводимости биологических тканей в зоне поражения, как при помощи измерения мгновенных и усредненных значений импеданса в местах наложения электродов, так и при помощи спектрального анализа зондирующего сигнала, состоящего из нескольких гармоник. Для повышения информативности диагностики, а так же возможности корреляции полученных данных с различных точек, во время измерения используется шестнадцать мультиплексированных каналов. Данная биотехническая система состоит из следующих структурных блоков: ПЭВМ, генератор зондирующего тока, микропроцессорный блок управления, блок коммутации электродов, генератор стимулирующего воздействия, блок измерения, блок мультиплексирования каналов, блок управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП, блок аналого-цифрового преобразования (рис.1).

Рис.1. Структурная схема технической системы контроля и управления остеорепарацией
Управление представленного аппаратного комплекса осуществляется с помощью ПЭВМ, которая, кроме того, обрабатывает полученные данные и позволяет представлять результаты в форме удобной для восприятия и дальнейшего анализа.
При электроимпедансном контроле на исследуемый объект накладываются шестнадцать электродов, один из которых зондирующий, а остальные регистрирующие. За счет мультиплексирования имеется возможность изменять функциональное назначение электродов, которые могут в разные моменты времени и в разном сочетании могут быть подключены к источнику зондирующего тока, так и выступать как измерительные. К этим же электродам может быть подключен источник стимулирующего воздействия.
Зондирующий ток формируется при помощи цифро-аналогового преобразователя, что позволяет сформировать сигнал с необходимыми параметрами.
Сигнал, снятый с регистрирующих электродов, поступает в блок мультиплексирования каналов, предназначенный для коммутации шестнадцати каналов с двухканальным аналого-цифровым преобразователем, совместная работа которых регулируется блоком управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП. Каждые восемь каналов мультиплексируются со скоростью 40МГц, что позволяет обеспечить частоту дискретизации каждого канала 5 МГц.
Управление режимами работы комплекса осуществляется с помощью ПЭВМ через микропроцессорный блок управления.
Данная конфигурация выбрана с учетом возможности дальнейшего усовершенствования описанного комплекса. Например, внедрение в техническую систему электростимулятора костной ткани позволяет совмещать диагностические исследования остеорепарации с терапевтическим воздействием и наблюдать за результативностью этого воздействия, что позволит корректировать программу электростимуляции и выбрать наиболее оптимальный и качественный вариант стимулирующего воздействия.
Определение результативности электростимуляции возможно путем оценки интенсивности кровенаполнения в зоне пораженного участка кости. Содержание жидкости в области перелома представлено двумя основными составляющими (рис. 2).

Рис. 2. График изменения проводимости исследуемого участка во времени
Постоянная составляющая представляет собой совокупность присутствующих в области исследования жидкостей, в основном, это межклеточная жидкость и кровь. Пульсирующая составляющая показывает динамику процесса кровенаполнения, что определяет активность обменных процессов.
Анализируя характеристики указанных составляющих применительно к участку регенерации костной ткани, можно получить важную информацию о состоянии пораженного участка и об активности процессов протекающих при остеорепарации. Известно, что при травмировании и дальнейшем восстановлении костной ткани, в зоне деструкции развивается асептическое воспаление, экссудация, эмиграция лейкоцитов, что влечет за собой отек тканей вследствие их серозного пропитывания. Следовательно, стремительно увеличивается содержание жидкости в этой области, что приводит к местному снижению импеданса. Вследствие этого амплитуда постоянной составляющей проводимости значительно возрастет. В процессе регенерации кости большое значение имеет состояние кровоснабжения пораженного участка, которое влияет как на саму сущность регенерации, так и на ее сроки. Оценить состояние кровоснабжения можно при помощи регистрации пульсирующей составляющей проводимости, а воздействовать на него с помощью электростимуляции, которая способствует увеличению интенсивности поступления минеральных веществ, улучшает тканевый обмен, способствует процессу формирования первичной костной мозоли. На практике замечено, что процесс регенерации костной ткани в различное время суток у разных пациентов отличается своей интенсивностью. Именно в моменты более активных восстановительных процессов имеет смысл проводить электростимуляцию. Эти моменты можно определить с помощью электроимпедансометрии, по состоянию пульсирующей составляющей. Следовательно, совмещение методов электроимпедансометрии и электростимуляции позволят получить наиболее полную картину процесса остеорепарации и способствовать его протеканию более продуктивно.
Также огромную роль в регенерации костной ткани играет правильная фиксация отломков кости, для этой цели широко применяется аппарат Илизарова. Конструкция этого аппарата предусматривает непосредственный контакт его частей (спиц) с костью. Модернизация конструкции спиц, как вариант, позволит использовать их в качестве электродов, для проведения стимулирующего воздействия непосредственно в пораженную зону. При этом, стягивающая конструкция должна быть выполнена из прочного материала, не проводящего электрический ток.
Создание биотехнической системы включающей в себя ряд эффективных методов диагностики и терапии является очень перспективной задачей, так как позволит качественно изменить процесс восстановления утраченных функций пациентов с травмами опорно-двигательного аппарата и значительно сократить сроки их реабилитации.
Считаем необходимым отметить, что разрабатываемая биотехническая система обладает универсальностью и может быть использована для исследования других биологических объектов.

Авторы:
Епифанцев В.В.
Ишков А.А.
Читинский государственный университет, Россия, г.Чита
Данная статья опубликована в сборнике трудов XV МЕЖДУНАРОДНОЙ
НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ СТТ-2009 г. Томск.