способ определения объема жидкостных секторов организма
Классы МПК: | A61B5/05 измерение с помощью электрического тока или магнитных полей для диагностических целей |
Автор(ы): | Волков Юрий Николаевич, Покровский Валерий Григорьевич, Николаева Инна Петровна, Семенов Владимир Николаевич, Курапеев Илья Семенович |
Патентообладатель(и): | Волков Юрий Николаевич, Покровский Валерий Григорьевич, Николаева Инна Петровна, Семенов Владимир Николаевич, Курапеев Илья Семенович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-11-18 публикация патента:
20.10.1997 |
Изобретение относится к области медицины, в частности к функциональным методам исследования, и может быть использовано при диагностике и динамическом наблюдении за состоянием тяжелобольных и оперированных пациентов, а также для изучения влияния на жидкостные пространства организма новых инфузионно-трансфузионных растворов, применяемых в клинике неотложных состояний. Поставленная задача решается тем, что к телу пациентов прикладывают электроды и пропускают через него зондирующие токи низкой и высокой частоты, измеряют импедансы тела на этих частотах и по полученным значениям импедансов определяют объемы жидкостных секторов организма. Новым является то, что электроды попарно соединяют между собой и накладывают на кожу верхних и нижних конечностей пациента, измеряют первый импеданс при пропускании через тело зондирующего тока частотой 20 - 40 кГц и второй импеданс - при пропускании зондирующего тока частотой 400 - 800 кГц, по первому импедансу определяют объем внеклеточной жидкости, а по второму - объем внутриклеточной жидкости, сумма обоих объемов позволяет установить объем общей жидкости организма. Изобретение позволяет создать точный и достоверный неинвазивный способ определения объемов жидкостных секторов независимо от глубины нарушения водного гомеостаза организма. 5 табл., 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
Способ определения объема жидкостных секторов организма путем накладывания электродов на тело и пропускания зондирующих токов низкой и высокой частоты с последующим измерением импенданса, отличающийся тем, что попарно соединенные между собой электроды накладывают на кожу верхних и нижних конечностей пациента, измеряют первый импеданс при пропускании через тело зондирующего тока частотой 20 40 кГц и второй импенданс при пропускании зондирующего тока частотой 400 800 кГц, учитывают удельное сопротивление плазмы крови, а также рост пациента и с помощью первого импенданса рассчитывают объем внеклеточной жидкости, а второго объем внутриклеточной жидкости, по сумме названных двух объемов определяют объем общей жидкости в организме.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области медицины, в частности к функциональным методам исследования, патологической физиологии и реаниматологии. Оно может быть использовано для диагностики нарушений жидкостных секторов организма, при массовых обследованиях больших контингентов людей с целью раннего выявления скрытых симптомов кровообращения, при обследовании и диагностическом наблюдении лиц, работающих в условиях, способствующих перегреванию организма (жаркий климат, горячие цеха и т.п.), при диагностике и динамическом наблюдении за состоянием тяжелобольных и оперированных пациентов, а также для изучения влияния на жидкостные пространства организма новых инфузионно-трансфузионных сред, применяемых в клинике неотложных состояний. Общая жидкость тела (ОЖ), составляющая около 60% его массы, включает в себя внутриклеточную жидкость (ВКЖ) и внеклеточную жидкость (ВНЖ). Между этими секторами существует стойкое динамическое равновесие, нарушение которого рассматривают как проявление существенного нарушения механизмов компенсации. Известные и наиболее распространенные методы измерения объемов жидкостных секторов организма основаны на применении разведения различных (в том числе радиоактивных) индикаторов. Поэтому нормативы этих объемов отличаются друг от друга в зависимости от способности индикатора проникать из сосудистого русла в интерстициальное и внутриклеточное пространства. Например, значения нормального объема внеклеточной жидкости, полученные с использованием в качестве индикаторов Na-тиосульфата и маннита составляют 17,7% массы тела, тогда как применение Na24-бромида 31,9% [1, 2, 5, 6, 8, 10, 11]Известные способы расчета должных (эталонных) значений жидкостных секторов организма, как правило, основаны на процентном содержании воды по отношению к массе тела. Считают, что при нормальном росто-весовом показателе ОЖ составляет 60% массы тела. У тучных людей относительное содержание ОЖ уменьшается, а у истощенных увеличивается. Поэтому расчет должных значений жидкостных секторов по массе тела может быть лишь ориентировочным, так как учесть весовые соотношения обследуемых пациентов очень трудно. Полагают, что ВНЖ составляет 20% массы тела, а ВКЖ 40% причем эти соотношения сохраняются внутри жидкостных секторов независимо от количества ОЖ [6, 7] Однако применение индикаторов с различной скоростью разведения для определения жидкостных секторов приводит к искусственному изменению соотношений. По данным В.А.Линькова [8] ОЖ, определенная с использованием натриевой воды, составила 57,0




V2=




где

l рост пациента (см);
z1 измеренный импеданс тела пациента на низкой частоте 20 40 кГц (Ом);
z01 должный импеданс тела пациента на той же низкой частоте 20 - 40 кГц (Ом), рассчитываемый по формуле,
z01 0,0921

где v02 должный объем внеклеточной жидкости (л)
для мужчин V02 2,4

где V01 должный объем циркулирующий крови (л):
V01 0,236


где P вес тела (кг);
для женщин V02 2,6

где V01 0,0248


по второму импедансу определяют объем внутриклеточной жидкости (ВКЖ) по формуле:

где z2 измеренный импеданс тела пациента на высокой частоте 400 800 кГц (Ом);
z02 должный импеданс тела пациента на той же высокой частоте 400 800 кГц (Ом), рассчитываемый по формуле:
z02 0,197

где V0 должный объем жидкости (л):
V0 3

V03 должный объем внутриклеточной жидкости (л):
V03 V0 V02, (10)
Объем общей жидкости в организме определяют по формуле:
V V2 + V3 (11). В отличие от Thomasset, который использовал двухэлектродную технику, авторы применили более точный и стабильный четырехэлектродный метод, когда токовые и измерительные электроды разделены между собой. При предложенном способе токовые и измерительные электроды, наложенные на верхние и нижние конечности, электрически попарно соединены и представляют как бы один электрод, разнесенный на обе руки и ноги. Токовые электроды располагаются дистально, а измерительные проксимально. Преимуществом по сравнению с прототипом являются: неинвазивность; более точное измерение импеданса в отличие от прототипа, где электроды присоединяются только к одной руке и одной ноге, что исключает из измерений оставшиеся руку и ногу. При пропускании переменного тока через тело человека с помощью электродов, накладываемых на поверхность кожи, ток проходит через кожу и далее идет по различным токопроводящим участкам тела, обладающим различным удельным сопротивлением и различным эффективным электропроводящим объемом кровь, межклеточная жидкость, клетки. На основании этого авторы представили тело человека, импеданс которого измеряется, в виде эквивалентности электрической схемы, состоящей из импеданса кожи, импеданса клеточной мембраны и электрических сопротивлений жидкости тела, находящихся в трех различных секторах кровеносные сосуды, интерстиции и внутриклеточный сектор (фиг. 1,а). Как видно из фиг. 1, а, общий импеданс тела пациента складывается из импеданса кожи, представляющего собой параллельно соединенные емкость C5 и омическое сопротивление r5, и последовательно соединенных с ним трех параллельных между собой участков цепи, один из которых представляет собой импеданс клетки, состоящий из последовательно соединенного импеданса клеточной мембраны (емкость C4 и омическое сопротивление r4) и омического сопротивления внутриклеточной жидкости r3. Вторая ветвь представляет собой омическое сопротивление межклеточной жидкости r2. Третья ветвь состоит из омического сопротивления внутрисосудистого русла r1. Как видно на фиг. 1,а, измеряемый импеданс (точнее модуль импеданса) тела зависит от омических и емкостных сопротивлений электропроводящих участков тела. При снятии зависимости модуля импеданса модели и тела от частоты установлено, что на частотах 20-40 кГц и 400-800 кГц модуль импеданса наименее всего зависит от частоты тока, т.е. на этих частотах сопротивление носит преимущественно омический характер. Анализ наших результатов и данных литературы свидетельствует о том, что на низких частотах близко к нулю емкостное сопротивление кожи, а на высоких емкостное сопротивление клеточных мембран. Таким образом, в выбранных диапазонах частот измеряемый модуль импеданса тела определяется в основном омическим сопротивлением жидкостных секторов организма. В соответствие с этим на фиг. 1,б представлена эквивалентная схема тела пациента при измерении на низких частотах зондирующего тока, на фиг. 1, в эквивалентная схема тела пациента при измерении на высоких частотах зондирующего тока. По предложенному способу по импедансу, измеренному при пропускании зондирующего тока низкой частоты 20-40 кГц, по приведенным выше зависимостям, определяют объем внеклеточной жидкости, а по импедансу, измеренному при пропускании зондирующего тока высокой частоты 400-800 кГц, объем внутриклеточной жидкости. По прототипу по методу Thomasset по величине измеренного импеданса на высокой частоте определяют объем ОЖ, тогда как предлагаемый способ дает возможность определить объем внутриклеточной жидкости, для чего необходимо знать как низкий, так и высокий импеданс, что значительно повышает точность определения жидкостных секторов организма вследствие учета соотношения импедансов на обеих частотах. Общий импеданс тела на низких и высоких частотах мы рассчитывали, используя эквивалентные схемы 1,б и 1,в. Вычисление сопротивления (r) жидкостных секторов основано на предположении, что жидкость в этих секторах обладает некоторым средним эффективным значением поперечного сечения S, удельным электрическим сопротивлением




z1 0,072


которые были получены на здоровых людях на основании корреляционной зависимости между измеренными значениями импеданса и величиной отношения 12/V, где V в первом случае должный объем внеклеточной жидкости, а во-втором должный объем общей жидкости. Точность предлагаемого способа повышается по сравнению с прототипом за счет того, что наши формулы учитывают изменение удельных электрических сопротивлений жидкостных сред, которые зависят от температуры, концентрации ионов (в основном, хлоридов натрия и калия), концентрации белков, а для крови еще концентрации форменных элементов (в основном эритроцитов). Удельные сопротивления вычисляются по следующей формуле, полученной на основании экспериментальных данных:

где Na, K концентрация натрия и калия в сыворотке крови, c - концентрация белка, H гематокрит, t температура. По предложенному способу должные величины объемов жидкостных сред организма определяли (в отличие от общепринятых способов, основанных на учете процентного отношения к массе тела человека), исходя из физиологического соотношения ВНЖ, ВКЖ и ОЖ у нормальных субъектов как 1:2:3 соответственно. Должное значение ВНЖ определяли по формулам или таблицам, приведенным в [9] где для расчета должных значений объема циркулирующей крови (ОЦК) у мужчин и женщин учитываются росто-весовые соотношения. Для мужчин: V022,4


V2=




ВНЖ 56,5



где


l рост пациента (160 см);
z1 измеренный импеданс тела пациента на низкой частоте 30 кГц (217 Ом);
z01 должный импеданс тела пациента на той же низкой частоте 30 кГц, рассчитываемый по формуле:
z01 0,0921


где V02 должный объем внеклеточной жидкости, определенный по формуле: V02 2,6

где V01 должный объем циркулирующей крови, определенный по таблице Альберта. В данном случае равен 4,01 л. Таким образом, V02 2,6



где z2 измеренный импеданс тела пациента на высокой частоте 500 кГц (152 Ом);
z02 должный импеданс тела пациента на той же высокой частоте 500 кГц (161,1 Ом). Рассчитан по формуле: z02 0,197




V V2 + V3 ОЖ 32,1 + 21,4 32,1 л
Таким образом, полученные данные представляем в следующем виде. Должные значения в литрах: ОЖ 31,3; ВНЖ 10,4; ВКЖ 20,9. Фактические значения в литрах: ОЖ 32,1; ВНЖ 10,7; ВКЖ 21,4. Дефицит в литрах: ОЖ +0,8; ВНЖ +0,3; ВКЖ +0,5. Для подтверждения положений, являющихся предметом изобретения, обследовано 146 человек. Выработка формул для определения показателей ВНЖ и ОЖ базируется на основании изучения импедансов у 41 условно здорового обследованного. Изменения водно-электролитного баланса исследованы у 30 пациентов, перенесших травматические повреждения различной тяжести, а также у 75 кардиохирургических больных с различной степенью изменений общего состояния организма в до- и послеоперационном периодах. Наряду с исследованием жидкостных секторов, определяли содержание электролитов, общего белка, малонового диальдегида, молекул средней массы, осмоляльность и другие метаболические показатели. Исследования проводили в динамике до операции и на различных этапах послеоперационного периода, вплоть до 14 сут. Было проведено сравнение результатов измерения объемов ВНЖ, определенных двумя методами -- индикаторным (по разведению натрия тиосульфата) и импедансометрическим на частоте 30 кГц (табл. 2 и 3). Как видно из табл. 2, в случаях легких повреждений (15 наблюдений) объемы ВНЖ, измеренные двумя методами в течение 1-7 сут, практически совпали. В группе тяжело пострадавших (табл. 3) на протяжении всего времени исследования наблюдали тенденцию к расхождению полученных данных. Если в 1-2 сут наблюдения данные почти совпадают, то к 3-4 сут расхождение становится заметным, а на 7-8 сут непосредственно перед смертью пострадавших значительным. Исследования микроциркуляции методом конъюнктивальной микроскопии в этот период выявили выраженные микроциркуляторные расстройства, сопровождающиеся расширением венулярного отдела капилляров, замедлением кровотока в артериолах и венулах, отеком околососудистой ткани. Эти данные свидетельствуют о более объективной оценке объема ВНЖ на основании заявляемого метода. Определение объемов жидкостных секторов организма по заявленному способу провели у 75 кардиохирургических больных (до операции и на 1, 2, 3, 5, 7 и 14 сут послеоперационного периода). Как в исходном, так и в послеоперационном периоде у пациентов были выявлены различные формы нарушений водного баланса (нормо-, гипер- и гипогидратация), а также транссекторального перераспределения жидкости. На 1-3 сут после операции чаще всего определяли выраженную гипергидратацию, которая к 7-14 сут переходила в нормо- или гипогидратацию, что было связано с интенсивной инфузионно-трансфузионной терапией. Данные, полученные методом разведения изотопов у кардиохирургических больных после искусственного кровообращения [4] показали увеличение объема ВНЖ в среднем на 37% и тенденцию к снижению объема ВКЖ до 10% Результаты наших исследований сразу же после искусственного кровообращения практически полностью совпадают с рассмотренными данными. Однако на 1-3 сут после операции у 20 обследованных выявлено резкое снижение импеданса на частоте 500 кГц (почти вдвое), что в результате расчетов, основанных на прототипе, привело к значительному увеличению ОЖ, достигавшей 70-90% от массы тела, и к повышению объема ВКЖ (до 40% массы тела). Такие значения объемов указанных сред несовместимы с жизнью. Таким образом, объемы жидкостных секторов организма, определенные по предлагаемому неинвазивному способу, дали результаты, сопоставимые с данными исследований, проведенных инвазивным радиоизотопным методом, и находились в пределах физиологических отклонений. Данный способ определения объемов жидкостных секторов организма хорошо поддается компьютерной обработке. Приведем примеры определения заявленным способом в динамике объемов жидкостных секторов организма у кардиохирургических больных с применением компьютерной обработки. Пример 2. Больной М-ов (табл. 4) 14 мая 1991 г перенес операцию протезирования митрального и аортального клапанов в условиях экстракорпорального кровообращения (ЭКК). На приведенных распечатках показаны данные определения объемов жидкостных секторов его организма на 1, 2, 3, 4 и 7 сут. В табл. 4 V11, V21, V31 это данные определения соответственно ОЖ, ВНЖ и ВКЖ по прототипу. V1, V2, V3 данные соответственно ОЖ, ВНЖ, ВКЖ согласно заявляемому способу. В последней графе "отклонение" представлен процент отклонения объемов от их должных значений у данного пациента. Послеоперационное течение у больного М-ва (см. табл. 4) было осложнено синдромом малого сердечного выброса, сердечной недостаточностью, отеком головного мозга. Баланс вводимой и выводимой жидкости на протяжении 5 сут был положительным (избыток достигал временами 1,3 л). В течение 6 дней отмечалось резкое падение импеданса на частоте 500 кГц. При использовании прототипа объем общей воды организма превышал его должные значения для данного пациента более чем на 50% что нельзя считать правильным, т.к. такой уровень гидратации не укладывается в представления современной реаниматологии и патофизиологии. Объемы секторов, определенные по заявляемому способу, показали, что избыток общей жидкости колебался в пределах 18-34% по отношению к должному значению. Это полностью совпадает с клинической картиной и данными других авторов, полученными на подобном же материале радиоизотопными методами разведения. Применение специально подобранной терапии, направленной на выведение из организма избытка воды и натрия, позволило нормализовать состояние пациента к 7 послеоперационному дню. С этого момента результаты, полученные по обеим формулам, становятся сравнимыми. Исход лечения благоприятный. Пример 3. Больной Мас-ов (табл. 5) перенес 13 мая 1991 г операцию аортокоронарного шунтирования (наложены 4 шунта) в условиях ЭКК. Послеоперационный период был осложнен синдромом малого сердечного выброса, острым инфарктом миокарда, недостаточностью кровообращения. Ввиду опасения перегрузки сердца при интенсивной инфузионной терапии реаниматологи вели больного так, чтобы баланс вводимой и выводимой жидкости был отрицательным. Заявляемый метод позволял постоянно контролировать дефицит жидкости в организме и вносить необходимые коррективы в проводимое лечение. Из приведенных данных видно, что удавалось поддерживать дефицит общей воды на уровне около 10% а внеклеточной жидкости 5-8% Исход лечения благоприятный. Таким образом, определение объемов жидкостных секторов организма согласно заявленному способу в приведенных примерах свидетельствует о достоверности полученных результатов и адекватности проводимой инфузионно-трансфузионной терапии. Достоинства способа следующие: неинвазивность; возможность продолжительного и непрерывного исследования; точность, стандартность, высокая воспроизводимость результатов; оперативность получения результатов измерения; возможность контроля эффективности рациональных программ лечения. ЛИТЕРАТУРА
1. Балонов М. И. Жико Т.В. Лихарев И.А. Методические и радиационно-гигиенические вопросы радиоизотопного определения водных пространств у человека. Мед. радиология, 1977, т.22, N 1, с. 29-33. 2. Богданов К. М. Романовская Л.Л. Биофизические закономерности обмена тритиевой воды в организме. М. Энергоиздат, 1981, с. 137. 3. Гомеостаз. / Под ред. П.Д.Горизонтова. М. Медицина, 1981, с. 576. 4. Дарбинян Т.М. Кулиев Э.А. Кузнецова Б.А. и др. Влияние анестезии на систему нейрогуморальной регуляции и водно-электролитный обмен на время аорто-каронального шунтирования. Анестезиология и реаниматология, 1990, N 5, с. 7-11. 5. Касалица Ч.Л. Сокольская А.Т. Метод одномоментного определения внеклеточной жидкости и массы циркулирующей крови. Лаб. дело, 1964, N 1, с. 6. 6. Кеслер Г. Пасторова Я. Ядрный Я. Реанимация. Прага, 1968, с. 260-261. 7. Комаров Ф.И. Коровкин Б.Ф. Мельников В.В. Биохимические исследования в клинике. Л. Медицина, 1976, с. 231-232. 8. Линьков В.А. Распределение жидкости и осмотически активных веществ в организме пострадавших после механических травм. Дис. на соиск. учен. степени канд. мед. наук. ВМедА им. С.М.Кирова, Л: 1985, с. 176. 9. Albert S. Blood volume and extracellular fluid volume. 2-nd ed. Springfield, Illinois: Charles Thomas Publisher, 1971, р.290. 10. Dalberg B. Transcapillary solute exchange in skeletal muscle after injury and during schock. Acta physiol. scand. 1979, v. 107, suppl. No. 472, p. 82. 11. Cook D.R. Galln G. Gnoltiere W.S. A safer method for measuring body fluid compartment in patients. Anesthesiology, 1969, v. 30, No. 6, p. 660-662. 12. Ray C.T. Burch G.E. Threefoot S.A. Biologic decay rutes of chloride in normal and diseased man, determined with longlife radiochloride, Cl36. J. Lab. Clin. Med. 1952, v. 39, No. 5, p. 673-696. 13. Thomasset A. Measure du volume des liquides extra-cellulaires par la methode electro-chimique. Signification biophysique de l"impedance a 1 kilocycle du corps humain. Lyon Med. 1965, No. 31, p. 131-143. 14. Thomasset A. Bioelectrical properties of tissue impedance. Lyon Med. 1962, No. 21, p. 107-118.
Класс A61B5/05 измерение с помощью электрического тока или магнитных полей для диагностических целей