Bioelektrisk impedansanalyse i overvåking av klinisk status og diagnose - Elektronikknett
266865_front

Bioelektrisk impedansanalyse i overvåking av klinisk status og diagnose

Bioelektrisk impedansanalyse er en lavkost, ikke-invasiv teknikk for å måle sammensetningen av menneskekroppen og evaluere kliniske forhold.

De elektriske egenskapene til biologisk vev er klassifisert som aktive eller passive, avhengig av strømkilden. Vi snakker om aktiv respons når biologisk vev genererer strøm på grunn av ionene i cellene. Disse elektriske signalene blir referert til som biopotensialer, og de mest kjente eksemplene finnes i elektrokardiografi og elektroencefalografi. Responsen er passiv når det biologiske vevet reagerer på en ekstern elektrisk stimulans, som en strøm eller en spenningsgenerator. I dette tilfellet har vi å gjøre med en bioimpedans.

Bioelektrisk impedansanalyse
Bioelektrisk impedansanalyse er en lavkost, ikke-invasiv teknikk for å måle sammensetningen av menneskekroppen og evaluere kliniske forhold. Biologisk impedans er en kompleks mengde som er sammensatt av en resistiv verdi R (reell del), hovedsakelig på grunn av den totale verdien av vann i kroppen, og en reaktiv verdi Xc (tenkt del), hovedsakelig på grunn av kapasitansen skapt av cellemembranen. Impedansen kan også representeres som en vektor, med modul |Z| og fasevinkel φ.

Fasevinkelen spiller en grunnleggende rolle i å bestemme sammensetningen av kroppen.

266865_eq-01 (1)
266865_eq-02 (2)
266865_eq-03 (3)

Motstanden R for en leder med tverrsnittsareal S og lengde l og kapasitansen C til en flat parallellplatekondensator med overflateareal S i avstand d er gitt av følgende ligninger:

266865_eq-04 (4)
266865_eq-05 (5)

Som det kan sees fra ligning 4 og 5, er motstand og kapasitans avhengig av geometriske parametere (lengde, avstand og overflateareal), noe som betyr at de er knyttet til det valgte målesystemet, og fysiske parametere; det vil si resistiviteten ρ og den dielektriske konstanten ε, som er nært beslektet med typen materiale (i dette tilfellet det biologiske vevet) som skal måles. Figur 1 viser en forenklet elektrisk modell av bioimpedans og av instrumentet som ble brukt til å måle det. RE tar hensyn til motstanden til ekstracellulære væsker, RI symboliserer motstanden til intracellulære væsker, og Cm er kapasitansen til cellemembranen. Forbindelsen mellom instrumentet og menneskekroppen skjer gjennom elektroder påført huden. Instrumentet leverer eksitasjonsspenningen til elektrodene og måler strømmen som produseres. Eksitasjonssignalet genereres ved hjelp av en digital-til-analog-omformer (DAC) koblet til en nedstrøms driver; DAC’en er programmert av en mikrokontroller for å aktivere innstillingen av amplituden og signalets frekvens. For gjeldende måling brukes en transimpedansforsterker (TIA) koblet til en høyoppløselig analog- til-digital omformer (ADC) for nøyaktige målinger. De innsamlede dataene behandles av systemets mikrokontroller, som trekker ut informasjon som er nødvendig for analysen.

266865_Fig_01 Figur 1. Blokkdiagram over målesystemet for bioimpedans.

Fem segmenter
For målinger av bioimpedans er menneskekroppen delt inn i fem segmenter: de to øvre lemmer, de to underekstremitetene og overkroppen. Dette skillet er viktig for å forstå målemetoden som brukes. De vanligste er hånd-til-fot, fot-til-fot og hånd til hånd.

Det er flere faktorer som må tas i betraktning under en bioelektrisk impedans- analyse (BIA)-test, inkludert antropometriske parametere; det vil si høyde, vekt, tykkelse på huden og kroppsbygning. Andre faktorer er kjønn, alder, etnisk gruppe og ikke minst pasientens helsetilstand; det vil si om det er underernæring eller dehydrering. Hvis disse faktorene ikke tas med i betraktningen, kan testresultatene bli upålitelige. Tolkningen av målingene er basert på statistiske data og ligninger som tar hensyn til disse forskjellige faktorene.

Kroppens sammensetning
Når vi studerer kroppssammensetning, refererer vi til treromsmodellen, som inkluderer følgende:

  • Fettmasse
  • Cellemasse
  • Ekstracellulær masse

Figur 2 illustrerer dette med utgangspunkt i to-kammermodellen og de velkjente begrepene mager masse (fettfri masse) og fettmasse. Fettmassen har to komponenter, det essensielle fettet og lagringsfettet. Den magre massen er delt inn i kroppens cellemasse, sammensatt av proteinmasse og intracellulært vann, og den ekstracellulære massen, som igjen inkluderer ekstracellulært vann og beinmasse. Et siste parameter, grunnleggende for å fastslå hydreringsgraden, er det totale kroppsvannet gitt av summen av det intracellulære og ekstracellulære vannet.

Fra elektrisk synspunkt oppfører intracellulære og ekstracellulære elektrolytiske løsninger seg som gode ledere, mens fett og beinvev er dårlige ledere.

266865_Fig_02 Figur 2. Sammensetning av menneskekroppen.

Bioimpedans måleteknikker
De mest utbredte teknikkene for måling av bioimpedans skiller seg ved bruken av frekvensen til eksitasjonssignalet. De enkleste instrumentene er basert på målinger med en fast frekvens (enfrekvent bioelektrisk impedansanalyse, eller SF-BIA), noen tar i bruk et system med flere frekvenser (multifrekvens bioelektrisk impedansanalyse, eller MF-BIA), og de mest sofistikerte instrumentene utfører ekte spektroskopi over en rekke frekvenser (bioimpedans spektroskopi, eller BIS). Det er også forskjellige teknikker for evaluering av resultatene, hvorav bioelektrisk impedans-vektoranalyse og sanntids-analyse er de viktigste.

50 kHz
I SF-BIA-instrumenter har strømmen som ble injisert i menneskekroppen en frekvens på 50 kHz; operasjonen er basert på det omvendte proporsjonale forholdet mellom den målte impedansen og det totale kroppsvannet (TBW) - den ledende delen av impedansen - sammensatt etter tur av intracellulært vann (ICW) og ekstracellulært vann (ECW). Denne teknikken gir gode resultater hos personer under normale hydreringsforhold, mens den mister sin gyldighet hos personer med sterkt endret hydrering, fremfor alt på grunn av en begrenset kapasitet til å evaluere variasjonene i ICW.

Kombinerte frekvenser
MF-BIA-teknikken overvinner  begrensningene til SF-BIA ved å utføre målingen ved lave og høye frekvenser. Lavfrekvensmåling gir mulighet for et mer nøyaktig estimat av ECW, mens det ved høy frekvens oppnås et estimat av TBW. ICW er gitt av forskjellen mellom de to estimatene. Imidlertid er denne teknikken heller ikke perfekt og viser begrensninger i beregningen av hos eldre som er berørt av sykdom.

Endelig er BIS, som i følge modellen i figur 1, motstanden RE i de ekstracellulære væskene basert på målingen av impedans ved nullfrekvens, og parallellen til RE med RI ved uendelig frekvens. Ved disse to frekvensekstremene opptrer kapasitansen på grunn av cellemembranen som en åpen krets eller kortslutning. Mellomfrekvensmålinger gir informasjon relatert til kapasitansverdien. BIS gir mer detaljert informasjon enn andre teknikker gjør, men i dette tilfellet tar målingen lengre tid.

266865_Fig_3 Figur 3. Bioelektrisk impedansvektor - analysetoleranse ellipser.

BIVA
Bioimpedansvektoranalyse (bioelektrisk impedansvektoranalyse, eller BIVA) er en menneskelig helsevurderingsmetode basert på den absolutte måling av bioimpedans. Den bruker en graf som viser en vektor representasjon av impedansen der verdien av motstanden vises på abscissen og verdien av den kapasitive reaktansen på ordinaten, når begge verdiene normaliseres med hensyn til pasientens høyde. Metoden er basert på formuleringen av tre toleranseellipser: 50%, 75% og 95%. Toleranseellipsen på 50% definerer populasjonen med gjennomsnittlig kroppssammensetning. Når man leser langs ellipsens horisontale akse, identifiseres individer med en lav prosentandel av mager masse på høyre side og omvendt; det vil si at de med en høy prosentandel av mager masse blir identifisert til venstre. Ser man langs den vertikale aksen identifiserer hydreringsnivået, med nivåer under normen mot toppen av ellipene og nivåene over normen i den nedre delen.

Svingninger
Observasjonen av svingninger i komponentene i menneskekroppen - for eksempel avviket fra de normale verdiene for den magre kroppsmassen, fettmassen og det totale kroppsvannet - er viktige faktorer for å bestemme pasientens helsetilstand. Et betydelig tap av mager masse og en ubalanse i kroppsvæsker er hovedparametrene som brukes for diagnostisering av sykdommer. I dag brukes bioelektrisk impedansanalyse som et hjelpemiddel for diagnostisering av sykdommer i følgende systemer i menneskekroppen:

  • Lungesystem
  • Lungekreft
  • Lungeødem
  • Hjertesystem
  • Akkumulering av væske etter operasjon
  • Sirkulasjonssystem
  • Intravaskulært volum
  • Hyponatremi
  • Hydrering
  • Nyresystem
  • Hemodialyse
  • Evaluering av tørrvekt
  • Nervesystem
  • Alzheimers sykdom
  • Anorexia nervosa
  • Muskelsystem
  • Evolusjon av kroppssammensetning under trening
  • Immunsystem
  • Evaluering av in HIV-infiserte pasienter
  • Evaluering av kreftpasienter
  • Denguefeber

AD5940, en fleksibel og høypresisjons analog frontend
Analog Devices har en bred portefølje av produkter for impedansanalyse, inkludert komponenter som ADuCM35x, en høyt integrert systembrikke (SoC) designet spesielt for impedansspektroskopi. Den nylig annonserte AD5940 er en analog, frontende med høy presisjon, lite strømforbruk og ideell for bærbare applikasjoner. AD5940 er designet for måling av bioimpedanse og ledningsevne i huden, og består av to eksitasjons sløyfer og en felles målekanal. Den første eksitasjonssløyfen er i stand til å generere signaler med en maksimal frekvens på 200 Hz og kan konfigureres som en potensiostat for måling av elektrokjemiske celler av forskjellige typer.

Grunnleggende komponenter
De grunnleggende komponentene er en DAC med to utganger (dual output), en presisjonsforsterker som gir eksitasjonssignalet, og en transimpedansforsterker for strømmåling. Ved arbeider med en lav frekvens, forbruker denne sløyfen lite strøm og blir derfor også referert til som laveffekt sløyfen. Den andre sløyfen har en lignende konfigurasjon, men er i stand til å arbeide med signaler opp til 200 kHz, og kalles derfor høyhastighetssløyfen. Enheten er utstyrt med en datainnsamlingskanal med en 16-biters, 800 kSPS SAR-type ADC og en oppstrøms analog signalbehandlingskjede i omformeren, som inkluderer et buffer, en programmerbar forsterker (PGA) og et programmerbart antialias filter. For å fullføre arkitekturen er det en svitsj- matrise multiplekser som gjør at en rekke signaler fra interne eller eksterne kilder kan multiplekses til ADC’en. På denne måten, i tillegg til den primære impedansmålefunksjonen, kan nøyaktig systemdiagnostikk utføres for å verifisere instrumentets funksjonalitet.

266865_Fig_04 Figur 4. Fire-ledningstilkobling av AD5940 for bioelektrisk impedansanalyse.

Absolutt impedansmåling
Figur 4 viser forbindelsen til AD5940 for absolutt impedansmåling av menneskekroppen med en firetråds konfigurasjon. For denne type målinger brukes høyfrekvenssløyfen, hvor en programmerbar vekselstrøm spenningsgenerator gir eksitasjonssignalet. En annen generator leverer «common mode»-spenning – som er nyttig for riktig måling.

Strømmen fra impedansen til menneskekroppen måles av transimpedansforsterkeren og konverteres med en 16-bits ADC. Systemet er i stand til å måle frekvens på opp til 200 kHz og gir et signal-til-støyforhold (SNR) på 100 dB ved 50 kHz. De digitale dataene blir sendt til en maskinvareakselerator for å trekke ut dataene man er interessert i det vil si den virkelige delen og den imaginære delen av impedansen.

Medisinsk standard
Som medisinsk utstyr må bioimpedansanalysatoren oppfylle IEC 60601-standarden. Denne standarden setter grenser for spenninger og strømmer som kan brukes på menneskekroppen. For å møte dette er det gitt en motstand, Rlimit, som begrenser maksimal strøm, og fire koblingskondensatorer, CisoX, som forhindrer at en likestrømskomponent blir påført menneskekroppen.

Konklusjon
Bioimpedansemåling er et allsidig, raskt, ikke-invasivt og rimelig verktøy for å vurdere sammensetningen av menneskekroppen og diagnostisere visse typer sykdommer. Nåværende teknologi muliggjør, takket være bruken av enheter som AD5940, realisering av kompakte bioimpedans analysatorer med høy ytelse og lite strømforbruk. Kombinasjonen av integrasjon, liten formfaktor og lite strømforbruk gjør også AD5940 spesielt egnet for bærbare, batteridrevne applikasjoner.

Kommentarer