Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 4 (12) 2013

Статья опубликована на с. 51-53

Среди биофизических методов исследования состояния различных органов и тканей особое внимание исследователей и клиницистов привлекает метод биоимпедансометрии (БИМ), основанный на определении величины их суммарного электрического сопротивления (импеданса). Различные модификации данного метода нашли применение в хирургии, реаниматологии, трансплантологии, интенсивной терапии, дерматологии, онкологии, диетологии, спортивной и космической медицине. Его широко используют для исследования водных пространств организма в процессе оперативных вмешательств, интенсивной терапии заболеваний, сопровождающихся нарушениями водно-солевого обмена; определения безжировой массы тела; мониторинга процессов восстановления при травмах, ранениях; оценки эффективности разгрузочно-диетической терапии и т.п. [1–3]. Однако потенциальные возможности данного метода остаются еще далеко не исчерпанными. Среди наиболее перспективных направлений дальнейшего развития и совершенствования метода БИМ можно отметить: разработку методов и аппаратуры для локального исследования состояния органов, тканей и отдельных клеток; изучение пространственного распределения параметров импеданса тканей организма с перспективой разработки метода электроимпедансной томографии; разработка метода электроимпедансной спектроскопии, что позволит использовать его в области нанотехнологий для микроскопической визуализации клеток, проведения исследований на клеточном и молекулярном уровне; исследование взаимосвязей параметров импеданса и его составляющих с морфологическими и физиологическими характеристиками отдельных органов и тканей.

Одним из новых, перспективных направлений развития метода БИМ является остеометрия биоимпедансная (ОМБИ). В настоящее время в клинической медицине наиболее распространены рентгеновские, ультразвуковые и радионуклидные методы оценки минеральной плотности костной ткани (КТ). Однако каждый из этих методов имеет свои недостатки и огра­ничения. Это требует разработки новых неинвазивных методов оценки состояния КТ. Главными требованиями к таким методам является их безопасность, доступность, высокая информативность, позволяющая получать информацию не только о минеральной плотности, но и о состоянии органического компонента матрикса КТ. Анализ отечественной и зарубежной литературы, а также результаты наших собственных исследований свидетельствуют о том, что таким требованиям в значительной степени удовлетворяет метод ОМБИ.

В отделе клинической патофизиологии Института физиологии им. А.А. Богомольца НАН Украины на протяжении многих лет проводятся исследования био­электрических свойств КТ у здоровых животных разного возраста при моделировании условий микрогравитации, различных режимов гипокинезии и алиментарной депривации, воздействия дозированной нормобарической гипоксии, введения экзогенного мелатонина и т.д. [4–6]. Разработана аппаратура и усовершенствована технология исследования биоэлектрических свойств КТ лабораторных животных с использованием ОМБИ. Эксперименты на животных показали, что данный метод позволяет не только идентифицировать, но и дифференцировать изменения состояния КТ, которые развиваются в процессе возрастной инволюции, под влиянием микрогравитации, гипокинезии и других факторов [7–9]. Результаты этих исследований легли в основу разработки новой технологии — мультичастотной биоимпедансометрии КТ человека и создания первого отечественного аппарата — биоимпедансометра костной ткани «Остеотест», предназначенного для ранней диагностики нарушений КТ у людей [10–13]. Суть разработанной технологии состоит в зондировании кости человека сигнальным электрическим током частотой от 10² 10⁶ Гц и определении величины импеданса КТ, а также его составляющих — активного и реактивного сопротивлений на частоте максимальной поляризации. Результаты измерений обрабатываются и анализируются на компьютере с использованием пакета программного обеспечения.

В состав биоимпедансного аппарата для неинвазивной диагностики состояния КТ человека «Остео­тест» входит: электронный блок, блок измерительных электродов, которые размещены на опорной площадке и соединены экранированным кабелем с электронным блоком, а также компьютерно-программный комплекс, предназначенный для обработки и хранения получаемой информации. Основные технические характеристики биоимпедансного аппарата неинвазивной диагностики состояния костной ткани человека «Остеотест»: частоты тестирующего тока — 1 кГц (± 1 %), 10 кГц (± 2 %) и 1 МГц (± 10 %); выходное напряжение с генератора частот — не более 150 мВ (± 2 %), минимальный измеряемый ток — 10 мкА (± 1 %), максимальный измеряемый ток — 50 мА (± 5 %), минимальное измеряемое напряжение — 10 мкВ (± 1 %), максимальное измеряемое напряжение — 10 В (±  5%). Питание аппарата осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В (± 5 %), частотой 50 Гц (± 5 %). Потребляемая мощность — не более 100 VA. Электробезопасность аппарата соответствует 1-му классу, степень защиты — 2. Опорная площадка для стопы выполнена из неметаллического материала и обеспечивает ее расположение под углом 55° с опорой на пятку при полном разгибании нижней конечности в коленном суставе. В аппарате «Остеотест» реализован тетраполярный (четырехэлектродный) метод измерений, который позволяет наиболее точно измерять электрические параметры тканей, расположенных в межэлектродном пространстве, за счет минимизации влияния на их величину сопротивления поверхностных тканей и спонтанной поляризации электродов. Кроме того, данный метод исключает необходимость использования электродных прокладок или специальных электропроводящих паст и гелей. При проведении тетраполярной ОМБИ используют две пары округлых электродов из нержавеющей стали, которые расположены коаксиально таким образом, что в центре каждой пары размещается потенциальный электрод, а на периферии — токовый. Такое взаимное расположение 2 потенциальных и 2 токовых электродов позволяет проводить локальную фокусирующую импедансометрию глубоко расположенных тканей.

Импедансометрические исследования удобнее проводить на костях периферического скелета: дистальный и ультрадистальный отделы костей предплечья, пяточная кость, большеберцовая кость, фаланги пальцев, надколенник. В этих областях отсутствуют магистральные сосуды и большие мышечные массивы, а кость наиболее близко прилегает к коже. Таким образом, при проведении импедансометрии основная масса тканей в межэлектродном пространстве представлена КТ. Базовая модель биоимпедансного аппарата для неинвазивной диагностики состояния КТ человека «Остеотест-1» ориентирована на импедансометрические исследования пяточной кости, которая не является идеально плоской. Поэтому при проведении ОМБИ, особенно динамического характера, важно, чтобы электроды располагались в одних и тех же местах и имели хороший контакт с поверхностью кожи. Для этого можно использовать следующие анатомические ориентиры: с медиальной стороны пяточной области электроды должны располагаться сзади и книзу от сухожилия мышцы — длинного сгибателя большого пальца и выше медиального отростка бугра пяточной кости, а с латеральной стороны — кзади и книзу от сухожилия длинной малоберцовой мышцы и выше латерального отростка бугра пяточной кости.

Информативность и воспроизводимость результатов импедансометрических исследований КТ человека in situ, а следовательно, и их диагностическая значимость в значительной степени зависят от учета ряда методических вопросов, а также особенностей организации и порядка проведения диагностической процедуры. Перед началом исследований пациент должен снять все металлические предметы. Кожу в области наложения электродов необходимо протереть спиртом. Импедансометрические исследования проводят в положении испытуемого сидя, при полном разгибании нижней конечности в коленном суставе. Пациент размещает обнаженную стопу на опорной площадке подставки под углом 55° так, чтобы пяточная кость располагалась между электродами. С помощью ручки регулировки положения электродов последние приводятся в тесное соприкосновение с кожей пяточной области. После проверки правильности установки стопы и соосности наложения электродов запускают программу измерений. После окончания исследований замеряют расстояние между электродами с точностью до ± 1 мм, полученную величину заносят в программу расчетов. Для стандартизации результатов исследований рассчитывают относительные величины показателей путем деления их абсолютных величин на величину межэлектродного пространства, а также определяют коэффициент поляризации ткани (отношение величины импеданса на частоте 104 Гц к величине того же показателя на частоте 106 Гц). Важной предпосылкой для обеспечения необходимой точности импедансометрических измерений и исключения возможности негативных воздействий на ткани является определение оптимальных параметров тестирующего тока по напряжению. Результаты проведенных исследований показали, что для импедансометрии пяточной кости в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет напряжение порядка 150 мВ.

Результаты предварительных лабораторных испытаний аппарата «Остеотест»

Известно, что качество костной ткани, ее прочность, минеральная плотность, насыщенность и т.п. изменяются с возрастом. Существенные изменения этих свойств КТ наблюдаются у людей пожилого возраста при развитии возрастной остеопении и инволюционного остеопороза. В рамках проведения предварительных лабораторных испытаний аппарата «Остеотест» нами были исследованы возможности его использования для скрининговой оценки возрастных изменений качества костной ткани. В исследованиях участвовало 18 волонтеров в возрасте от 25 до 80 лет. Биоимпедансометрические исследования проводились согласно описанной выше методике. Среднюю величину исследуемых показателей у каждого испытуемого определяли по результатам трех последовательных измерений, выполненных с интервалом 5 минут.

Сравнительный анализ результатов биоимпедансометрического тестирования КТ испытуемых разного возраста показал, что у лиц старшей возрастной группы величины импеданса и реактивного сопротивления достоверно меньше, чем у молодых испытуемых, что указывает на начало развития возрастной остеопении. Так, если величина импеданса на частоте максимальной поляризации костной ткани в возрасте 20–30 лет составляла 723,03 ± 19,91 Ом• см, то в возрасте 50–60 лет она достоверно уменьшалась до 607,13 ± 24,46 Ом•см, а у лиц старше 70 лет не превышала 570,32 ± 27,00 Ом•см. Среднее уменьшение величины реактивного сопротивления у испытуемых в возрасте 50–60 лет по сравнению с 20–30-летними достигало 16 %, а в возрасте 70–80 лет — 21 %. Реактивное сопротивление, которое отражает степень поляризации костной ткани, у всех испытуемых достигало максимальной величины на частоте 104 Гц. Однако если в возрасте 20–30 лет реактивное сопротивление составляло 3356,7 ± 144, 8 Ом•см, то в возрасте 50–60 лет оно уменьшалось до 2964,0 ± 54,4 Ом•см, а у лиц старше 70 лет не превышало 2650,0 ± 75,0 Ом•см. Среднее уменьшение величины реактивного сопротивления у испытуемых в возрасте 50–60 лет по сравнению с 20–30-летними достигало 13 %, а в возрасте 70–80 лет — 23 %. Анализ темпов изменений биоэлектрических параметров костной ткани показал, что они существенно возрастали у испытуемых старше 50–60 лет, что согласуется с данными литературы, в которых исследовали состояние костной ткани людей разного возраста с помощью методов рентгеновской и ультра­звуковой денситометрии.

Заключение

Разработана инновационная технология биоимпедансной остеометрии и создан первый отечественный биоимпедансный аппарат для неинвазивной диагностики состояния костной ткани человека «Остеотест». Результаты предварительных лабораторных исследований показали, что аппарат «Остеотест» позволяет дифференцировать возрастные изменения состояния костной ткани человека. Технология биоимпедансной остеометрии существенно дополняет возможности существующих методов неинвазивной диагностики состояния костной ткани человека. Преимуществами разработанной технологии являются ее неинвазивность и безопасность для пациентов и медперсонала, достаточно высокая точность и скорость измерений в различных режимах работы, возможность оценки состояния как минерального, так и органического матрикса костной ткани в клинических и амбулаторных условиях.