Кое-что об истории…

Электрическая импедансная томография – это техника получения изображения в срезах тела посредством неинвазивного электрического зондирования, расчетов и алгоритма реконструкции распределения импеданса. Так как разные ткани имеют разный импеданс, мы можем дифференцировать их изображение, и существует возможность обнаруживать физиологические сдвиги.

Первое импедансное изображение удалось получить в 1978 году R.P. Henderson and J.G. Webster (рис. 1). Хотя полученное изображение грудной клетки являлось трансторакальным, оно не являлось томографическим.

01

Рис. 1 Импедансное изображение грудной клетки, полученное R.P. Henderson and J.G. Webster.

А первое электрическое импедансное томографическое изображение было получено Brian H. Brown and D.C. Barber в 1982 году (Шеффилд, Англия). Ими было представлено томографическое изображение предплечья (рис. 2).

02

Рис. 2. На электроимпедансном изображении предплечья четко определяются
локтевая и лучевая кости,  а также периферический жир.

Сегодняшний день…

С начала 90-х годов электроимпедансная томография превратилась в интенсивно развивающуюся область исследований, в которую вовлечены несколько десятков исследовательских групп во всем мире. Наибольшее количество групп приходится на западную Европу, прежде всего, на Англию, Испанию, Германию, Францию, и на США. Значительных успехов в разработке медицинских приложений достигли: а) группа под руководством B. H. Brown – работами в области неонатологии и онкологии; б) группа под руководством D.S. Holder – работами в области нейрофизиологии; в) группа под руководством I. Frerichs – работами в области пульмонологии; г) группа под руководством P.J. Riu – работами в области физиологии легких; д) группы под руководством A. Hartov, J. Newell и D. Isaacson – работами в онкологии.

В России исследования в области электроимпедансной томографии начали развиваться с середины 90-х годов, в лаборатории вычислительной физики в ИРЭ РАН. За короткое время здесь были получены результаты мирового уровня, как в создании измерительной аппаратуры, так и в разработке алгоритмов реконструкции изображений. Медицинские приложения интенсивно развивались в клиниках г. Ярославля под руководством заведующего отделением перинатальной диагностики клинической больницы №9 А.Ю. Карпова – автора научных работ в области физиологии легких, неонатологии, онкологии, маммологии.

Что такое электроимпедансная томография…

Для получения изображения переменный ток инжектируется в тело через электроды, расположенные вокруг него и рассчитываются синхронно пограничные потенциалы. Все это делает возможным получение совокупности данных распределения импеданса, которые через процессор с помощью восстановительного алгоритма обеспечивают импедансную компьютерную томографическую картинку. Принцип импедансной томографии представлен на схеме.

Принципиальная схема электроимпедансной томографии.

Рис.3 Принципиальная схема электроимпедансной томографии.

Ток, протекая через среду, создает объемное распределение электрического потенциала (напряжений). Потенциал уменьшается вдоль линии тока по мере удаления от активного (инжектирующего ток) электрода. Падение напряжения на единицу длины (напряженность электрического поля) пропорционально величине тока и сопротивлению среды в соответствии с законом Ома. Измеряя падение напряжения и зная величину тока, можно вычислить величину сопротивления. Томографический алгоритм реконструкции позволяет использовать напряжения, измеренные только на поверхности тела, для вычисления пространственного распределения удельного сопротивления (или электропроводности) внутри него.

Первые алгоритмы реконструкции электроимпедансного изображения и даже все первые ранние полученные изображения in vivo, использовали восстановительный алгоритм – обратное проецирование, “back-projection”, разработанный D.C.Barber. Этот алгоритм адаптировали в дальнейшем к методу компьютерной томографии. По существу компьютерные томографические изображения построены с помощью расчетов обратного проецирования, полученных в проекции X-ray лучей вдоль постоянных линий, заданных расчетными значениями каждой точки, и затем после одновременного суммирования получают простое изображение.

В электрической импедансной томографии периферический профиль – это измеренное электрическое напряжение между рядом расположенными электродами для каждой пары токовых электродов. Это и есть профиль относительно обратно проецированный в регионе между эквипотенциальными линиями. Любое распределение электропроводности в регионе, ограниченным двумя эквипотенциальными линиями, коррелирует с разницей электрического напряжения между электродами по нормированным линиям. Распределение электропроводности между двумя эквипотенциальными линиями пропорционально градиенту электрического напряжения соответствующих границ.

Для производства электрического импедансного изображения предложено несколько методов, которые сведены в 2 категории: статическое изображение и дифференциальное изображение. Статическое изображение заключается в получении изображения абсолютного распределения импеданса внутри участка тела, то есть в итоге формируется анатомическое изображение сканируемой области. Дифференциальное или динамическое изображение заключается в производстве изображения изменений электропроводности между двумя сериями измерений.

Электрические свойства биологических тканей…

Живой организм является не только генератором биоэлектричества, но и пассивным проводником электрического тока, возникающего в организме при приложении к нему разности потенциалов. Биологические объекты, являясь сложными системами, характеризуются наличием многочисленных границ разделов. В организме такую роль играют различные мембраны, которые с молекулярной точки зрения можно рассматривать как практически безграничные двумерные поверхности. В пространстве, окружающем клеточные мембраны электропроводность обусловлена наличием в нем ионов, подвижных полярных молекул и изоляторов. Электрические свойства химических соединений определяются многими характеристиками, основными из которых являются полярность, знак и величина заряда, молекулярная масса и подвижность, элементарный состав. В клетке основными свободными зарядами являются ионы калия и органические анионы, а внеклеточно – ионы натрия и хлора. Электропроводность биологических жидкостей пропорциональна содержанию в них свободных ионов. Высокомолекулярные вещества, перемещение которых под действием электрического поля затруднено, и крупные ионы с малой подвижностью оказывают влияние на величину электропроводности биологического объекта, но менее существенное. Все перечисленные соединения формируют так называемую активную составляющую электропроводности или resistance. Согласно закону Ома сопротивление субстанции пропорционально падению приложенного напряжения при прохождении электрического тока через исследуемую субстанцию.

R (resistance) = E/I, где: R = сопротивление (Ом); E = приложенное напряжение (вольт); I = сила тока (ампер).

На границе раздела фаз, каждая из которых содержит заряженные частицы или дипольные молекулы, наблюдается эффект поляризации с образованием двойного электрического слоя, создающего на границе фаз разность потенциалов. Клеточные мембраны, являющиеся в биологическом объекте границей раздела, формируют реактивную составляющую электропроводности или reactance (рис. 4). Реактивное сопротивление, известное при описании биологических тканей как емкостное сопротивление, противодействие мгновенному потоку электрического тока посредством электрической емкости (capacitance). Математически reactance выражено следующим уравнением для переменного тока цепи:

Reactance = 1/2π*F*C, где: reactance = реактивное сопротивление (Ом); F – частота электрического тока (герц); C – электрическая емкость (фарада); π = 3.1428.

Вышеуказанное уравнение демонстрирует, что reactance – величина, обратная частоте электрического тока и электрической емкости. Следовательно, при увеличивающейся частоте электрического тока reactance уменьшается. При чрезвычайно низких значениях частот reactance бесконечно.

04

Рис. 4. Структура клеточной мембраны.

В здоровом теле клеточная мембрана состоит из непроводящего слоя, состоящего из липидов, и белковых молекул (рис. 4). Под воздействием переменного тока структура клеточной мембраны изменяет реактивную емкость элементов, которые ведут себя как конденсатор. Биологически, клеточная мембрана – селективный полупроницаемый барьер, разделяющий внутриклеточное и внеклеточное пространство. Она защищает внутренность клетки, делая возможным прохождение некоторых веществ, для которых она проницаема. Клеточная мембрана сохраняет осмотическое давление и градиент концентрации ионов между внутри– и внеклеточными пространствами. Этот градиент создает разность электрического потенциала, который необходим для выживания клетки. Повреждение клеточной мембраны, ее функций, летально для клетки, как и повреждение непосредственно ядра.

05

Рис. 5. Зависимость диэлектрической
проницаемости и электропроводности
биологических тканей
от частоты электрического тока.

Измерение электропроводности биологических систем на постоянном токе из-за высокой степени поляризации мембран и электродов крайне затруднено. На низких частотах переменного тока большая часть тока протекает по межклеточным промежуткам. При увеличении частоты электрического тока реактивное сопротивление емкости падает, поляризационные явления уменьшаются. Зависимость сопротивления и емкости объекта от частоты получила название дисперсии (рис. 5). На высоких частотах общее сопротивление системы зависит только от активных сопротивлений межклеточных пространств и цитоплазмы.

О безопасности…

В общем и целом, измерение биологического импеданса требует пропускания электрического тока через биологическую ткань в ходе исследования. Естественно, можно нанести вред или повреждение какой-либо ткани. С физиологической точки зрения, имеется в виду не возбуждение тканей как при стимуляции.

Следует ответить на три вопроса:

  • какой вид тока считается адекватным?
  • какие возможные значения величины вводимого тока?
  • какая приемлемая частота вводимого тока?

Протекание постоянного, т.е. тока одного направления, через электролиты, в частности через биологические ткани, сопровождается необратимыми химическими реакциями на электродах, через которые объект соединяется с внешней частью электрической цепи. Поэтому в медицинской диагностике используется только переменный электрический ток достаточно высокой частоты (как правило, выше 1 кГц).

Допустимая величина тока ограничена его биологическим действием и повышается с увеличением частоты тока. На фигуре 6 суммированы основные эффекты электрического тока. При слабой стимуляции (приблизительно 0,3 – 10 mA) отмечается только тактильное ощущение. В широких пределах (10 – 100 mA) нервы и мышцы подвержены сильной стимуляции, результатом которой является сокращения, боль и утомление. Значения тока больше 15 mA, в зависимости от пути прохождения тока, могут вызвать остановку дыхания, заметное утомление и интенсивную боль. Зона фибрилляций представлена на фигуре между 50 mA и 5 или 6 А. Еще более высокие значения тока могут вызвать длительные сокращения миокарда (контрактура) и/или тяжелые ожоги.

07

Рис. 6. Суммарный эффект действия
электрического тока низкой
частоты (60 Гц) с использованием медных
электродов, расположенных на поднятых
руках мужчины весом 70 кг,
на 1 и 3 сек. экспозиции.

Применение электричества на любом участке кожи имеет результатом стимуляцию различных типов рецепторов дермы. Наихудшие значения всегда находятся ниже 300 герц с тенденцией к минимуму между 10 и 100 герцами. Знание этого – важный момент в кардиоваскулярной физиологии, кардиологии и электрической безопасности госпиталя. Величина электрического тока, используемая для биологических импедансометрических исследований, должна всегда находится ниже допустимого порога сила тока – время на кривой возбудимости тканей, находящихся на пути прохождения тока (таб. 1).

Частота переменного тока Максимальная амплитуда тока
< 1 кГц 0.1 мА
1 – 100 кГц 0.1*f мА, где f – частота (кГц)
> 100 кГц 10 мА

Таблица 1. Допустимая амплитуда электрического тока
для использования в диагностических целях