يمكن تقسيم الخواص الكهربائية للأنسجة البيولوجية إلى فئات نشطة وسلبية حسب مصدر الإشارات الكهربائية. إذا تم توليد التيار الكهربائي للأنسجة البيولوجية بواسطة أيونات داخل الخلية ، فإننا نسميها استجابة نشطة. تسمى هذه الإشارات الكهربائية “القدرات الحيوية” ، وأفضل الأمثلة المعروفة هي إشارات مخطط كهربية القلب وإشارات مخطط كهربية الدماغ. إذا كان النسيج البيولوجي يستجيب لمحفز كهربائي خارجي ، مثل مولد التيار أو الجهد ، فإن الاستجابة تكون سلبية. في هذه الحالة ، نحن بحاجة إلى النظر في المعاوقة الكهربائية الحيوية.
تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية
تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية هو أسلوب منخفض التكلفة وغير جراحي يستخدم لقياس تكوين الجسم وتقييم الحالات السريرية. المقاومة الحيوية هي رقم معقد يتكون من قيمة المقاومة R (الجزء الحقيقي) وقيمة التفاعل Xc (الجزء التخيلي) ، الأول ناتج بشكل أساسي عن إجمالي كمية الماء في جسم الإنسان ، والأخير ناتج بشكل أساسي عن السعة الناتجة عن غشاء الخلية. يمكن أيضًا تمثيل هذه الممانعة بواسطة متجه حجمه | Z | وزاوية الطور هي φ. تلعب زاوية الطور دورًا رئيسيًا في تحديد تكوين الجسم.
(1)
(2)
(3)
المقاومة R لموصل منطقة المقطع العرضي S والطول l ، والسعة C لمكثف لوحة متوازية لمنطقة السطح S والمسافة d تعطى من خلال:
(4)
(5)
كما يتضح من المعادلة 4 والمعادلة 5 ، تعتمد المقاومة والسعة على المعلمات الهندسية (الطول والمسافة ومساحة السطح) ، مما يعني أنها مرتبطة بنظام القياس والمعلمات الفيزيائية المستخدمة ؛ أي المقاومة ρ و العازل الكهربائي يرتبط الثابت ε ارتباطًا وثيقًا بنوع المادة التي يتم اختبارها (في هذه الحالة الأنسجة البيولوجية). يوضح الشكل 1 نموذجًا مبسطًا للخصائص الكهربائية للمقاومة الحيوية وأداة القياس الخاصة بها. تعتبر RE مقاومة السائل خارج الخلية ، وتمثل RI مقاومة السائل داخل الخلايا ، و Cm هي سعة غشاء الخلية. يتم الاتصال بين الجهاز والجسم من خلال أقطاب كهربائية موضوعة على الجلد. يطبق الجهاز جهد إثارة على الأقطاب الكهربائية ويقيس التيار الناتج. يتم إنشاء إشارة الإثارة بواسطة محول رقمي إلى تناظري (DAC) متصل بمحرك النهاية الخلفية. تمت برمجة DAC بواسطة متحكم دقيق ، والذي يحدد سعة الإشارة وترددها. للقياسات الحالية ، يتم استخدام مضخم للمقاومة (TIA) ، والذي يتم توصيله بمحول تناظري رقمي عالي الدقة (ADC) لإجراء قياسات دقيقة. تتم معالجة البيانات المكتسبة باستخدام متحكم النظام لاستخراج المعلومات اللازمة للتحليل.
الشكل 1. رسم تخطيطي لنظام قياس المعاوقة الحيوية.
في قياس المقاومة الحيوية ، ينقسم جسم الإنسان إلى خمسة أجزاء: طرفان علويان وطرفان سفليان وجذع. هذا التمييز مهم لفهم طريقة القياس المستخدمة. الأكثر شيوعًا هي اليد إلى القدم والقدم إلى القدم واليد إلى اليد.
أثناء اختبار تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية (BIA) ، يجب مراعاة العديد من العوامل ، بما في ذلك المعلمات البشرية ؛ وهي الطول والوزن وسمك الجلد وشكل الجسم. تشمل العوامل الأخرى الجنس والعمر والعرق و (خاصة) الحالة الصحية للمريض ؛ أي سوء التغذية أو الجفاف. إذا لم يتم أخذ هذه العوامل في الاعتبار ، فقد يتم تشويه نتائج الاختبار. فسر القياسات بناءً على الإحصائيات والصيغ التي تأخذ في الاعتبار العوامل المختلفة الموضحة أعلاه.
تكوين جسم الإنسان
عند دراسة تكوين جسم الإنسان ، نستشهد بالنموذج المكون من ثلاث أقسام ، والذي يتضمن:
كتلة الجسم الدهنية
كتلة الخلية
كتلة خارج الخلية
يوضح الشكل 2 هذه المفاهيم ، بدءًا من النموذج المعروف جيدًا المكون من جزأين لكتلة الجسم النحيل (كتلة الجسم النحيل) وكتلة الجسم الدهنية. تتكون كتلة الدهون في الجسم من مكونين ، الدهون الأساسية والدهون المخزنة. تنقسم كتلة الجسم النحيل إلى كتلة خلوية بشرية (تتكون من كتلة بروتينية وماء داخل الخلايا) وكتلة خارج خلوية (تتكون من ماء خارج الخلية وكتلة عظمية). المعلمة الأخيرة هي الأساس لتحديد محتوى الماء ، وهو إجمالي مياه الجسم التي يتم الحصول عليها من مجموع المياه داخل الخلايا وخارجها.
من وجهة نظر الخصائص الكهربائية ، تعمل المحاليل الكهربية داخل الخلايا وخارجها كموصلات جيدة ، في حين أن الأنسجة الدهنية والعظام موصلة رديئة.
الشكل 2. تكوين جسم الإنسان
تكنولوجيا قياس المعاوقة الحيوية
تختلف تقنيات قياس المعاوقة الحيوية المستخدمة على نطاق واسع في وتيرة إشارة الإثارة المستخدمة. تعتمد أبسط الأدوات على قياسات التردد الثابت (تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية أحادية التردد أو SF-BIA) ، وبعضها يستخدم أنظمة متعددة التردد (تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية متعددة التردد أو MF-BIA) ، والأدوات الأكثر تعقيدًا هي النطاق لأداء الطيف الفعلي القياسات (Bioimpedance Spectroscopy أو BIS). هناك أيضًا العديد من التقنيات لتقييم النتائج ، من أهمها تحليل ناقلات المعاوقة الكهربائية الحيوية والتحليل في الوقت الفعلي.
في أداة SF-BIA ، يكون تردد التيار المحقون في الجسم 50 كيلوهرتز ؛ وهذا يعتمد على العلاقة العكسية بين الممانعة المقاسة وإجمالي ماء الجسم (TBW) (الجزء الموصل للمقاومة) ، وهو يتكون من المياه داخل الخلايا (ICW) والمياه خارج الخلية (ECW). توفر هذه التقنية نتائج جيدة للأشخاص الخاضعين للاختبار ذوي المحتوى الرطوبي الطبيعي ، ولكنها تفقد صلاحيتها بالنسبة للأشخاص الخاضعين للاختبار مع تغير محتوى الرطوبة بشكل كبير بسبب القدرة المحدودة للتقنية على تقييم التغييرات في ICW.
تتغلب تقنية MF-BIA على قيود SF-BIA من خلال إجراء قياسات على ترددات منخفضة وعالية. تسمح قياسات التردد المنخفض بتقديرات أكثر دقة لـ ECW ، بينما يمكن الحصول على تقدير لـ TBW عند الترددات العالية. ICW مشتق من الفرق بين التقديرين. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية ليست مثالية ، وقد أظهرت قيودًا في تقدير سوائل الجسم لدى كبار السن الذين يعانون من حالات طبية.
أخيرًا ، يعتمد BIS على قياسات المعاوقة ، والتي ، وفقًا للنموذج الموضح في الشكل 1 ، هي المقاومة RE التي ينتجها السائل خارج الخلية بتردد صفري ، والاتصال الموازي لـ RE و RI بتردد لانهائي. عند هذين الترددين المتطرفين ، تظهر السعة الناتجة عن غشاء الخلية كدائرة مفتوحة أو دائرة كهربائية قصيرة. توفر قياسات IF معلومات حول قيم السعة. يوفر BIS معلومات أكثر تفصيلاً من التقنيات الأخرى ، ولكن في هذه الحالة يستغرق القياس وقتًا أطول.
تحليل ناقلات الممانعة الحيوية (Bioimpedance Vector Analysis أو BIVA) هو أسلوب لتقييم صحة الإنسان يعتمد على قياس القيمة المطلقة للمقاومة الحيوية. يستخدم رسمًا بيانيًا لعرض تمثيل متجه للمقاومة ، حيث يُظهر محور الإحداثي قيم المقاومة ويظهر المحور الإحداثي قيم مقاومة سعوية ، وكلاهما يتم قياسهما وفقًا لارتفاع المريض. تعتمد الطريقة على صيغة 3 درجات تحمل: 50٪ ، 75٪ و 95٪. يحدد القطع الناقص المسموح به بنسبة 50٪ مجموعة ذات تكوين جسم متوسط. بالانتقال على طول المحور الأفقي للقطع الناقص ، يتم تحديد الأفراد الذين لديهم نسبة أقل من كتلة الجسم النحيل على اليمين والعكس صحيح ؛ أي الأفراد الذين لديهم نسبة أعلى من كتلة الجسم النحيل يتم تحديدهم على اليسار. يتم تحديد محتوى الرطوبة من خلال التحرك على طول المحور الرأسي ، بحيث يكون النصف العلوي من القطع الناقص يمثل أقل من المستويات القياسية وأن النصف السفلي من القطع الناقص أعلى من المستوى القياسي.
الشكل 3. الشكل 3. بيولوجي مقاومة تحليل ناقل ناقص القطع الناقص.
تعتبر ملاحظة التقلبات في تكوين الجسم (على سبيل المثال ، الانحرافات عن القيم الطبيعية لكتلة الجسم الخالية من الدهون ، وكتلة الجسم الدهنية ، وإجمالي مياه الجسم) عاملاً رئيسيًا في تحديد الحالة الصحية للمريض. يعد الفقد الكبير في كتلة الجسم النحيل وعدم توازن السوائل من العوامل الرئيسية المستخدمة في تشخيص المرض. حاليًا ، تم استخدام تحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية لتشخيص أمراض الجهاز البشري التالية:
الجهاز الرئوي
■ سرطان الرئة
■ الوذمة الرئوية
نظام القلب والأوعية الدموية
■ سائل ما بعد الجراحة
نظام الدورة الدموية
حجم الأوعية الدموية
■ نقص صوديوم الدم
■ الترطيب
الجهاز الكلوي
■ غسيل الكلى
■ تقييم الوزن الجاف
الجهاز العصبي
■ مرض الزهايمر
■ فقدان الشهية العصبي
الجهاز العضلي
التغييرات في تكوين الجسم أثناء التدريب
جهاز المناعة
■ تقييم الأشخاص المتعايشين مع فيروس نقص المناعة البشرية
■ تقييم مرضى السرطان
■ حمى الضنك
AD5940 ، واجهة أمامية تناظرية مرنة وعالية الدقة
الأجهزة التناظرية لديها مجموعة واسعة من منتجات تحليل المعاوقة ، بما في ذلك أجهزة مثل ADuCM35x ، وهو نظام متكامل للغاية على رقاقة (SoC) مصمم للتحليل الطيفي للمقاومة. يعتبر الطراز AD5940 الذي تم طرحه مؤخرًا واجهة أمامية تناظرية عالية الدقة ومنخفضة الطاقة ومثالية للتطبيقات المحمولة. تم تصميم AD5940 خصيصًا لقياس المقاومة الحيوية والتوصيل الجلدي ، ويتكون من حلقتين إثارة وقناة قياس مشتركة. حلقة الإثارة الأولى قادرة على توليد إشارة بتردد أقصى يبلغ 200 هرتز ويمكن تهيئتها كمحرك لقياس أنواع مختلفة من الخلايا الكهروكيميائية. تشتمل مكوناته الأساسية على DAC مزدوج الإخراج ، ومضخم دقيق لتوفير إشارات الإثارة ، ومضخم انتقال لقياس التيار. تعمل هذه الحلقة بتردد منخفض وتستهلك طاقة منخفضة ، لذلك تسمى أيضًا حلقة منخفضة الطاقة. حلقة الإثارة الثانية لها تكوين مماثل ، ولكنها قادرة على التعامل مع إشارات تصل إلى 200 كيلو هرتز ، لذلك تسمى الحلقة عالية السرعة. يتميز الجهاز بقناة اكتساب واحدة مع 16 بت و 800 kSPS SAR من نوع ADC وطرف أمامي لسلسلة معالجة الإشارات التناظرية للمحول الذي يتضمن مخزنًا مؤقتًا ومضخم كسب قابل للبرمجة (PGA) ومرشح مضاد للحواف قابل للبرمجة. لإكمال البنية ، يتم استخدام مُضاعِف مصفوفة التبديل ، والذي يسمح بتوصيل إشارات متعددة من عدة مصادر إشارة داخلية أو خارجية بجهاز ADC. بهذه الطريقة ، بالإضافة إلى وظيفة قياس المعاوقة الأولية ، يمكن إجراء تشخيص دقيق للنظام للتحقق من الأداء الوظيفي الكامل للجهاز.
يوضح الشكل 4 الوصلات لاستخدام AD5940 لقياسات مقاومة جسم الإنسان المطلقة في تكوين رباعي الأسلاك. بالنسبة لهذا النوع من القياس ، يتم استخدام حلقة عالية التردد ؛ يوفر مولد جهد التيار المتردد القابل للبرمجة إشارة الإثارة. يوفر المولد الثاني جهد الوضع المشترك للقياس المناسب. يتم قياس التيار الناتج عن مقاومة الجسم بواسطة مضخم للمقاومة ويتم تحويله باستخدام ADC 16 بت. النظام قادر على إجراء قياسات على ترددات تصل إلى 200 كيلو هرتز ويوفر نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) تبلغ 100 ديسيبل عند 50 كيلو هرتز. أرسل البيانات الرقمية إلى مسرع الأجهزة لاستخراج القيمة المطلوبة ؛ أي الأجزاء الحقيقية والخيالية للمقاومة.
كجهاز طبي ، يجب أن يتوافق محلل المعاوقة الحيوية مع معيار IEC 60601. تحدد هذه المواصفة القياسية حدود الجهد والتيار التي يمكن تطبيقها على جسم الإنسان. تحقيقا لهذه الغاية ، يوفر الجهاز المقاوم Rlimit للحد من الحد الأقصى الحالي وأربعة مكثفات اقتران CisoX لمنع تطبيق مكون DC على جسم الإنسان.
الشكل 4. وصلة بأربعة أسلاك AD5940 لتحليل المعاوقة الكهربائية الحيوية.
ختاماً
قياس المقاومة الحيوية هو طريقة منخفضة التكلفة وذات أغراض عامة لتقييم تكوين الجسم وتشخيص أنواع معينة من الأمراض بشكل سريع وغير جراحي. بفضل الأجهزة مثل AD5940 ، تتيح التكنولوجيا الحالية محلل معاوقة بيولوجية مضغوط وعالي الأداء ومنخفض الطاقة يمكن تشغيله على طاقة البطارية. كما أن التكامل العالي والحجم الصغير والاستهلاك المنخفض للطاقة لـ AD5940 يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي يمكن ارتداؤها.