Биоимпедансный анализатор АВС-01 “Медасс” создавался как многофункциональный прибор, дающий возможность проводить измерения на различных комбинациях отведений и различных наборах частот. Одной из особенностей данного прибора по сравнению с приборами, рассмотренными выше, является необходимость подключения к ПК при проведении измерений. Это оправдано, так как полноценное выполнение таких необходимых для профессиональной аппаратуры функций, как ведение баз данных, отображение и вывод на печать информативных протоколов и графиков невозможно без использования компьютера. При этом реализуемая методика измерения определяется программой ПК, что дает возможность выбирать ту или другую программу в зависимости от конкретной задачи (Цветков и др., 2006).
Рис. 4.5. Структурная схема биоимпедансного анализатора АВС-01
“Медасс”
Структурная схема биоимпедансного анализатора АВС-01 “Медасс” приведена на рис. 4.5, внешний вид прибора показан на рис. 4.6. Управление работой прибора и связь с ПК осуществляет микропроцессор, в энергонезависимое ЗУ которого записаны необходимые программы. Для обмена информацией применен интерфейс USB, через который на прибор подается также напряжение питания. Ток потребления не превышает 180 мА. И в линиях обмена информацией, и в цепях питания обеспечена полная гальваническая развязка схемы прибора от компьютера в соответствии с требованиями электробезопасности.
Зондирующий ток синусоидальной формы формируется в блоке, включающем цифроаналоговый задающий генератор переменного напряжения и преобразователь напряжения в ток. Использование метода цифроаналогового синтеза синусоидального напряжения обеспечивает точность задания и высокую стабильность частоты, амплитуды и формы зондирующего тока. Частота определяется кодом, поступающем с микропроцессора, и может принимать значения в диапазоне от 5 до 500 кГц. Измерения на нескольких частотах выполняются последовательно во времени. Реализуются методики с одной частотой 50 кГц, двумя частотами 20 и 500 кГц,
Рис. 4.6. Внешний вид биоимпедансного анализатора АВС-01 “Медасс”
пятью частотами 5, 20, 50, 200 и 500кГц и 31 частотами, образующими логарифмическую шкалу от 5 до 500 кГц. При необходимости список наборов частот может быть расширен.
Блок коммутации дает возможность выполнять измерения на разных наборах отведений. Коммутатор тока (Ком I) имеет 10 выходов, пять из которых являются “истоками”, а другие пять — “стоками”. Ток может протекать между электродами любой пары “исток”-“сток”. Таким образом, возможно до 25 различных вариантов протекания тока. Коммутатор напряжений (Ком U) имеет 12 входов, причем может измеряться напряжение между любыми двумя входами, то есть до 66 различных вариантов. С учетом вариантов коммутации тока общее число возможных отведений достигает 1650, каждое из которых при необходимости может быть получено путем подачи с микропроцессора соответствующего управляющего кода на блок коммутации. Два дополнительных входа коммутатора напряжений соединены с входами коммутатора токов. Это позволяет измерять падения напряжения на межэлектродных импедансах, определять значения этих импедансов и учитывать их при расчете импеданса объекта (см. п. 2.7).
При выполнении измерения переменное напряжение между двумя выбранными входами коммутатора напряжений усиливается и подается на синхронные детекторы СД1 и СД2, которые управляются сдвинутыми относительно друг друга на четверть периода последовательностями импульсов с задающего генератора. Далее
Рис. 4.7. Протокол оценки состава тела биоимпедансным методом
напряжения с детекторов преобразуются в цифровую форму и пересылаются микропроцессором в компьютер, где по ним с учетом данных из калибровочного файла прибора рассчитываются значения активной и реактивной составляющих импеданса.
Для обеспечения возможности анализа различных сегментов тела в АВС-01 “Медасс” предусмотрены четыре диапазона величин измеряемого импеданса. По активному сопротивлению верхние границы диапазонов равны 900, 450, 180 и 90 Ом, а по реактивному сопротивлению — примерно в три раза меньше. Нижние границы для всех диапазонов равны 0 Ом. Величина зондирующего тока для всех диапазонов не более 1 мА. Погрешность измерения сопротивления не превышает 1% от ширины диапазона для активной составляющей и 2% для реактивной составляющей.
Помимо схем для измерения импеданса прибор АВС-01 “Ме- дасс” содержит электрокардиографический канал (на рис. 4.5 не показан) для анализа вариабельности сердечного ритма. Данный анализ также выполняется на внешнем компьютере специальной программой.
Для выполнения выбранной методики биоимпедансного анализа необходимо использовать соответствующие кабель пациента и компьютерную программу. Анализ состава тела по стандартной методике на частоте 50 кГц реализуется с использованием 4- проводного кабеля с зажимами “крокодил”, соединяемыми с наклеиваемыми на тело электродами (см. рис. 3.3) и программы АВС01- 036. Данная программа позволяет вести базу данных с практически неограниченным числом пациентов и числом обследований для каждого пациента. В процессе выполнения измерения отображаются значения составляющих R, и Xc как импеданса тела, так и межэлектродных импедансов, что позволяет контролировать качество контактов.
По результатам измерения формируется протокол обследования (рис. 4.7), который отображается на экране монитора и выводится на печать. В протоколе отражены исходные данные, вводимые в программу (пол, возраст, рост, вес, окружности талии и бедер), результаты измерения импеданса (активное и реактивное сопротивления, фазовый угол), рассчитанные значения индекса массы тела и отношения окружностей талии и бедер, результаты расчета параметров состава тела (жировая и тощая масса, активная клеточная масса, масса скелетной мускулатуры). Рассчитанные величины отображаются на горизонтальных шкалах, на которых показаны диапазоны нормы и выхода за пределы нормы вниз и вверх. К данному протоколу может быть выведено на экран и на печать до пяти дополнительных страниц, содержащих пояснения смысла содержащихся в протоколе параметров. По результатам анализа состава тела рассчитываются величины основного и удельного (отнесенного к единице площади тела) энергообмена.
Информацию о состоянии обследуемого дает протокол анализа по фазовому углу биоимпеданса, представленный на рис. 4.8. На первой диаграмме протокола показаны величина фазового угла и процентное содержание жира с отображением диапазонов нор-
Рис. 4.8. Протокол оценки состояния по фазовому углу биоимпеданса
мальных, а также повышенных и сниженных значении этих параметров. На второИ диаграмме измеренное значение фазового угла отображается на графике, показывающем изменение диапазона нормальных значении фазового угла с возрастом.
Динамика параметров состава тела содержится в протоколе, показанном на рис. 4.9. Изменения основных характеристик за время
Рис. 4.9. Текущий протокол биоимпедансного обследования
от первого обследования до последнего отражены на графической диаграмме в верхней части протокола. Расположенная ниже таблица содержит числовые значения параметров и их изменений. Дополнительные символы в виде восклицательных знаков и капелек воды позволяют обратить внимание на слишком быстрые и/или
Рис. 4.i0. Графики изменений параметров состава тела
непропорциональные изменения состава тела вследствие недостаточного питания, возникновения отеков и других причин.
Наглядное представление о динамике состава тела дают графики соответствующих изменений (рис.4.10). Стандартный набор графиков показывает изменения веса, жировой массы и активной клеточной массы. Кроме того, возможно задание произвольного набора до 5 параметров из общего списка в 20 параметров. На графиках отображаются реальные изменения каждой величины (ломаная линия с маркерами) и аппроксимированные зависимости (тонкие гладкие линии без маркеров). Предусмотрен режим построения графиков приращений параметров относительно первого обследования.
Многочастотный биоимпедансный анализ на стандартном отведении выполняется с использованием программы АВС01-037. Измерение активной и реактивной составляющих импеданса производится на 31 частоте в диапазоне 5-500 кГц. Продолжительность цикла измерения порядка 2 с. Программа формирует такие же протоколы и графики, содержащие результаты анализа состава тела на частоте 50 кГц, как описанная выше программа АВС01-036. Кроме того, имеется окно многочастотного анализа (рис. 4.11), в котором отображаются таблица измеренных значений импеданса на всех
Рис. 4.11. Многочастотный анализ в программе АВС01-037
частотах, годограф Xc(R) с метками частот, таблица с оценками объемов общей, внеклеточной и внутриклеточной жидкостей, полученными по результатам измерений на разных частотах.
Программа АВС01-037 по измеренным значениям R и Xc определяет параметры модели Коула (п.2.3). В соответствии с этой моделью отображаются аппроксимированный годограф в виде дуги окружности (крестики на рис. 4.11), координаты центра этой окружности, среднеквадратическая погрешность аппроксимации, характеристическая частота и параметр а. Кроме того, по модели оцениваются значения активных сопротивлений на нулевой и бесконечно большой частотах, по которым вычисляются объемы внеклеточной и общей жидкостей. Возможно также отображение годографа комплексной проводимости, по которому рассчитывается значение фазового угла клеточной ветви модели Коула. Результаты многочастотного анализа могут быть выведены на печать в виде графиков и таблиц.
Существенным преимуществом анализатора АВС-01 “Медасс” перед другими приборами является возможность анализа измене-
Рис. 4.12. Отображение динамики изменений импеданса
ний импеданса и связанных с ним характеристик состава тела в процессе обследования. Такие возможности оказываются полезными для мониторинга состояния пациента во время хирургических операций и терапевтических процедур, для контроля объемов жидкостей в процессе диализа, при выполнении различных динамических обследований, например, на ортостатическом столе. Эти функции реализуются специальными программами, выполняющими запись и отображение последовательностей отсчета импеданса.
Программа АВС01-0243 позволяет выполнять обследования на одном отведении на 31 частоте, как и программа АВС01-037, и дополнительно дает возможность исследовать динамику процессов. Максимальный период отсчетов составляет около 2 с, минимальный — 0,3с. Длительность записи практически неограниченна. Последовательности значений активной и реактивной составляющих и модуля импеданса на любой из 31 частот отображаются в виде графиков, как показано на рис. 4.12. На графиках R и Z отчетливо видны колебания, создаваемые дыханием. Существенно более высокочастотные колебания, создаваемые пульсацией крови, просматриваются на графике X.
Выбор отсчета осуществляется с помощью курсора. Значения параметров импеданса выбранного отсчета отображаются над гра-
Рис. 4.13. Выполнение измерений по полисегментной методике
фиками. Предусмотрена возможность изменения масштабов графиков по вертикали и по горизонтали и начального уровня по вертикали. Для сглаживания флуктуаций при необходимости может быть применен нерекурсивный фильтр с регулируемой шириной окна. Программа также содержит окно многочастотного анализа, в котором выполняются такие же функции обработки и расчета, как и в программе АВС01-037. При проведении исследований на отведениях, отличающихся от стандартного, можно выбирать один из четырех указанных выше диапазонов измерения импеданса.
Программа ABC01-044 предназначена для получения оценок состава тела и для контроля динамики баланса жидкостей в организме в целом и по сегментам. Программа выполняет измерения активной составляющей импеданса пяти сегментов (конечности и туловище) на частотах 20 кГц и 500 кГц. Используется 8- электродная схема измерений с расположением пар электродов на дистальных частях конечностей, как показано на рис. 4.13 (снимок сделан на борту Международной космической станции).
Для проведения всестороннего обследования в данной программе предусмотрен ввод большого количества исходных данных (рис. 4.14), часть из которых необязательна. По исходным данным рассчитываются должные параметры состава тела, с которыми
Рис. 4.14. Окно ввода данных и получения предварительных оценок
Рис. 4.15. Таблица параметров состава тела в программе АВС01-044
145
потом сравниваются значения, полученные с помощью биоимпе- дэнсного анализа. Также даются заключения о нормальности веса, типах телосложения и скелета и других характеристиках пациента. Вычисляются значения энерготрат покоя и суточных энерготрат с учетом степени подвижности и состояния здоровья обследуемого.
В процессе измерений биоимпедансов программа формирует на экране графики их временных зависимостей для всех сегментов тела, подобно рис. 4.12. На аналогичных графиках в процессе записи обследования отображаются значения объемов различных жидкостей в организме и отношений объемов общей и внеклеточной жидкостей по сегментам тела. Все данные сохраняются в файле, так что в режиме просмотра записи можно исследовать перечисленные выше графики и выбирать с помощью курсора отсчет для подробного анализа. Один из отсчетов может быть отмечен как опорный, относительно которого отсчитываются изменения значений импе- дэнсов и объемов жидкостей. В процессе записи изменения отсчитываются относительно первого отсчета.
Программа АВС01-044 предоставляет пользователю еще несколько окон с таблицами данных и диаграммами. В одном из них отображаются значения очередного замера импедансов на обеих частотах по пяти сегментам, а также межэлектродных импедансов. Следующее окно содержит таблицу параметров состава тела (рис.4.15), оцениваемых по значениям импедансов и по исходным данным. Здесь же приведены должные значения этих параметров и диапазоны нормы. В другом окне выводится таблица баланса жидкостей в организме в целом и по сегментам тела (рис. 4.16).
Еще один вид представления результатов анализа в программе АВС01-044 показан на рис. 4.17. Окно содержит две карты распределения значений контролируемых параметров по сегментам тела. На левой карте отображаются значения отношения общего объема жидкости к объему внеклеточной жидкости по сегментам и изменения этих отношений по сравнению с опорным отсчетом. Эти изменения обозначаются не только числами, но и цветом сегментов. На правой карте отображаются значения импеданса на низкой частоте, характеризующие объемы внеклеточной жидкости, и изменения этих импедансов по отношению к опорному отсчету.
Для каждого окна предусмотрен вывод на печать соответствующего протокола. Также возможно получение таблиц и графиков значений более 90 параметров по нескольким обследованиям.
Программа АВС01-045 также работает по 8-электродной схеме и измеряет импедансы конечностей и туловища на пяти частотах
Рис. 4.16. Таблица баланса жидкостей в программе АВС01-044
Рис. 4.17. Карты регионального баланса жидкости в программе
АВС01-044
Рис. 4.18. Таблица измеряемых и оцениваемых параметров в программе
АВС01-045
(5, 20, 50, 200 и 500 кГц). Помимо оценок объемов жидкостей она дает оценки величин безжировой и жировой массы по сегментам, а также интегральные параметры состава тела, рассчитываемые по сопротивлениям стандартного отведения рука-нога. Вид таблицы измеряемых и оцениваемых параметров показан на рис. 4.18.
Программа АВС01-053 выполняет измерения по схеме, показанной на рис. 2.13,з и использует пять пар электродов, устанавливаемых на голове и конечностях. В результате возможно измерение импедансов 7 сегментов: голова с шеей, четыре конечности, туловище целиком и абдоминальная область. Кроме того, измеряется импеданс стандартного отведения от запястья правой руки до щиколотки правой ноги. Измерения выполняются на тех же пяти частотах: 5, 20, 50, 200 и 500 кГц.
По результатам измерений выполняется стандартная оценка параметров состава тела, а также оценка объемов общей, внеклеточной и внутриклеточной жидкостей по сегментам тела. Полученные значения выводятся в виде таблицы, показанной на рис. 4.19. Как и в описанных выше программах есть возможность отображения и анализа графиков временных зависимостей импедансов и объемов жидкостей, карт распределения по сегментам тела значений импедансов и объемов жидкости и их изменений относи-
Рис. 4.19. Таблица параметров состава тела и баланса жидкостей в программе АВС01-053
тельно опорного отсчета, вывода на печать Большого числа протоколов.
Помимо описанных выше для прибора АВС-01 “Медасс” есть методика измерений и соответствующая программа для 9-сегментного анализа по схеме рис. 2.13,ж и ряд других методик и программ.
Все программы для биоимпедансного анализатора АВС-01 “Медасс” выполняют функцию экспорта результатов измерений и введенных оператором величин в MS Excel и другие программы обработки данных.