Elektriline bioimpedants

Elektriline bioimpedants on bioloogilise objekti kui elektrilise kaksklemmi impedants.

Bioloogiliste objektide elektriline impedants Ż on sagedusest sõltuv. Seda sagedussõltuvust (funktsiooni Ż(f)) nimetatakse ka impedantsspektriks.

Elektrilise bioimpedantsi üldiseloomustus

Erinevalt tehniliste vahendite elektrilisest impedantsist on bioloogiliste objektide elektriline impedants palju ebaselgema iseloomuga. See tuleneb juba objekti ehituse keerukusest ruumilises mõttes, kui ka selle osade (elundite, kudede, kihtide jm) elektriliste omaduste erinevusest. Reeglina on bioimpedantsi sagedussõltuvus lauge. Näiteks on vere impedantsi mooduli muutus helisageduste alas (3 dekaadi) umbes kaks korda. Samal ajal võib kuiva naha puhul see olla ligi 1000 korda (nagu see on kondensaatori puhul).

Bioimpedantsi aseskeem

Bioloogilise objekti aseskeem on tema elektrilise bioimpedantsi sagedussõltuvuse lähendus elektriliste elementide (tavaliselt ainult takistuse R ja mahtuvuse C) abil. Lihtsaimad aseskeemid (paralleelne või järjestikune) ei kehti kuigi laias sagedusalas. Kolmeelemendilise aseskeemiga on saadavad tulemused paremad, näiteks üksiku raku elektrilise mudelina. Kuid tihti on vaja palju suurema arvu elementidega aseskeemi, eriti siis, kui aseskeem peaks kehtima üle mitme dekaadi ulatuvas sagedusalas, ja seda mõneprotsendise täpsusega impedantsi mooduli ja mõnekraadise täpsusega faasi lähendamise osas. Sellise lähenduse täpsus võib eri bioloogiliste objektide korral olla väga erinev.

Reeglina saavutatakse Ż(f) mooduli (Z(f)) osas rahuldav (mõneprotsendine) täpsus küllalt laias sagedusalas, kuid faasi osas jääb täpsus väikeseks (faasisageduskarakteristiku viga võib ulatuda kümnete kraadideni, seda eriti lähenduse sagedusala piiridel).

Elektriline aseskeem muutub oluliselt keerukamaks, kui soovitakse, et selle konkreetsed elemendid või osad vastaksid objekti mingitele konkreetsetele bioloogilistele osadele (nahk, rasvakiht, lihas, luu, veresoon, elund, kehaosa).

Dispersioonid

Elektrilise bioimpedantsi sagedussõltuvuse puhul räägitakse paralleelse RC-aseskeemi korral mahtuvuse C puhul bioloogilise objekti dielektrilise läbitavuse ε dispersiooni vahemikest ehk dispersioonidest (α-, β-, γ- ja δ-dispersioonist)^[1]. Need on seostatavad bioloogilise objekti omadustega (rakuline struktuur, koostis, kuju, jms), aga teiselt poolt aseskeemi elementide parameetrite väärtustega.

Lihtsaima elektrilise aseskeemi korral vastab aseskeemis üks takistus igale dispersioonivahemikule ja üks mahtuvus igale dipersioonide vahelisele (horisontaalsele) lõigule. Kokku on nelja dispersiooni kajastav aseskeem seega 8-elemendiline.

Bioimpedantsi rakendused

Bioloogilise objekti elektrilise bioimpedantsi mõõtmise tulemuste teatud kogumi põhjal saab moodustada objekti impedantstomograafilise pildi. Selle eraldusvõime ei ole suur, kuid erinevalt teistest piltdiagnostika meetoditest on elektrilise bioimpedantsi mõõtmisel põhinev meetod tunduvalt ohutum. Seetõttu on impedantstomograafiat proovitud kasutada näiteks mammograafias.

Elektrilist impedantstomograafiat (EIT) saab teostada kontaktivabalt. Sel juhul ei kasutata elektroode, vaid induktiivpoole, ja mõõtetulemus kujuneb bioloogilises objektis tekkivate pöörisvoolude (Foucault' voolude) mõjul. Samal põhimõttel toimub ka Foucault' kardiograafia.

Elektrilise bioimpedantsi mõõtmist saab kasutada meditsiinilise diagnostika jaoks, kuna impedantsi muutused kajastavad teataval viisil muutusi objekti sees (kudedes ja/või elundites), näiteks tursete või verevarustuse häirete korral. Kudede transplantatsiooni korral on võimalik bioimpedantsi mõõtmise teel saada informatsiooni transplanteeritud koe seisundi kohta, sealjuures teatud määral ennetavalt, sest bioimpedantsis kajastuvad teatud muudatused enne, kui ebasoovitavad protsessid on visuaalselt või muul viisil märgatavalt ilmnenud.

Viited

1. Schwan, Herman P. (1999). The Practical Success of Impedance Techniques from an Historical Perspective. Annals of the New York Academy of Sciences, 873(1), 1–12. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1999.tb09443.x

Kirjandus

• Bioelectrical impedance analysis
• Dielectric spectroscopy
• Journal of Electrical Bioimpedance
• Electrical Impedance Tomography (EIT)