Техніка та енергетика

ОБҐРУНТУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ЗАМІЩЕННЯ БІОЛОГІЧНОЇ ТКАНИНИ ПРИ ДІЇ НАПРУГИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Валерій Єгорович Кривоносов, Наталія Дмитрівна Пруднікова, Лілія Володимирівна Мартинюк
Завантажити статтю
Анотація

Зміна імпедансу біологічної тканини під дією напруги використовується в діагностиці та лікуванні різних захворювань. Математичні моделі, що описують фізико-біологічні процеси в біологічних об’єктах, засновані на електричних схемах заміщення. Метою цієї роботи було дослідження зміни імпедансу біологічної тканини в перехідному процесі іонізації під дією напруги постійного струму. В роботі застосовано біоімпендантний метод при впливі на біологічну тканину напруги постійного струму з урахуванням закону комутації у перехідних процесах іонізації. Було проведено аналіз відомих схем заміщення виявлені недоліки їх застосування при вивчені перехідних процесів іонізації в тканині при дії напруги постійного струму та обґрунтовано, як аналітично так і експериментально, схему заміщення із запровадженням додаткового опору. Було здійснено інвазійний вимір зміни імпедансу голчастими електродами, доведено, що активна складова пропорційно залежить від відстані меж електродами, а ємкісна складова залишається незмінною. Показано, що постійна часу іонізації є крітеріальним параметром та може використовуватись в діагностиці розвитку ішемічної хвороби м’язової тканини, зміна стану біологічної тканини при зупинці кровотоку під час накладання кровоспинного джгута. Доведено, що постійна часу іонізації не змінюється при незмінному іонному складу тканини і може використовуватися при аналізу складу міжклітинного простору. Було проведено одночасне інвазійне вимірювання у двох ідентичних місцях різних кінцівок, на однієї було накладено кровоспинний джгут. Отримані результати дозволили зробити висновки, що зміна постійної часу від 15 % до 50 % у порівнянні двох постійних часу дозволяє робити експрес діагностики, протягом 2 хвилин, стану біологічної тканини і може використовуватись при вивченні розвитку хвороби пов’язаних з ішемією. Результати дослідження можуть використовуватися при експрес діагностиці стану біологічного об’єкту та створенні не дорогого приладу для його застосування в хірургії та дослідних лабораторіях при вивчені розвитку ішемії

Ключові слова

імпеданс, перехідний процес, процес іонізації, опір клітини, ємність, постійна часу іонізації, діагностика, ішемія

ЦИТУВАТИ
Kryvonosov, V., Prudnikova, N., & Martyniuk, L. (2022). Justification of the electrical scheme of biological tissue replacementunder the action of DC voltage. Machinery & Energetics, 13(4), 60-71. https://doi.org/10.31548/machenergy.13(4).2022.60-71
Використані джерела

[1] Jiang, Zh., Yao, J., Wang, L., Wu, H., Huang, J., Zhao, T., & Takei, M. (2019). Development of a portable electrochemical impedance spectroscopy system for Bio-detection. IEEE Sensors Journal, 19(15), 5979-5987. doi: 10.1109/JSEN.2019.2911718.

[2] Gupta, A., Sharma, A., Batra, P., & Kapoor, R. (2013). Bioelectrical impedance: A future healthcare technology. Noida: AMITY University.

[3] Koutsouras, D.A., Lingstedt, L.V., Lieberth, K., Reinholz, J., Mailänder, V., Blom, P.W.M., & Gkoupidenis, P. (2019). Probing the impedance of a biological tissue with PEDOT:PSS-Coated metal electrodes: Effect of electrode size on sensing efficiency. Advanced Healthcare Materials, 8(23). doi: 10.1002/adhm.201901215.

[4] Illarionov, V., Solovev, M., Yuldashev, Z., Khapaev, R., & Nimaev, V. (2019). Three-frequency bioimpedance method of evaluating extracellular and intracellular fluid volumes, fat and muscle mass parameters on groups of patients with untypical body structure. 2019 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences, 2019, 0344-0346. doi: 10.1109/SIBIRCON48586.2019.8958288.

[5] Naranjo-Hernández, D., Reina-Tosina, J., & Min, M. (2019). Fundamentals, recent advances, and future challenges in bioimpedance devices for healthcare applications. Journal of Sensors, 2019, article number 9210258. doi: 10.1155/2019/9210258.

[6] Mansoorifar, A., Koklu, A., Ma, Sh., Raj, G.V., & Beskok, A. (2018). Electrical impedance measurements of biological cells in response to external stimuli. Analytical Chemistry, 90(7), 4320-4327. doi: 10.1021/acs.analchem.7b05392.

[7] Tereshchenko, S.M., Tsapenko, V., & Chuhrayev N. (2017). Study of the effect of direct and alternating current on biological objects. Bulletin of Kyiv Polytechnic Institute. Series Instrument Making, 53(1), 87-94.

[8] Oh, S.H., Lee, B.I., Woo, E.J., Lee, S.Y., Kim, T.S., Kwon, O., & Seo, J.K. (2005). Electrical conductivity images of biological tissue phantoms in MREIT. Physiological Measurement, 26(2), 279-288. doi: 10.1088/0967-3334/26/2/026.

[9] Tereshchenko, N.F., Tsapenko, V.V., & Chuhraev, N.V. (2017). Research of electrical conductivity of biological animals. Bulletin of NTUU “KPI”. Instrumentation Series, 53(1), 87-94.

[10] Yao, J., Wang, L., Liu, K., Wu, H., Jingshi, H., & Li, J. (2019). Evaluation of electrical characteristics of biological tissue with electrical impedance spectroscopy. Electrophoresis, 41(16-17), 1425-1432. doi: 10.1002/elps.201900420.

[11] Bera, T.K. (2018). Bioelectrical Impedance and the frequency dependent current conduction through biological tissues: A short review. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 331, article number 012005. doi: 10.1088/1757-899X/331/1/012005.

[12] Antonyuk, V.S., Bondarenko, M.O., Vashchenko, V.A., Kanashevich, G.V., Tymchyk, G.S., & Yatsenko, I.V. (2012). Biophysics and biomechanics. Kyiv: NTUU “KPI”.

[13] Didukh, V.D., Rudyak, Yu.A., & Bagrii-Zaiats, O.A. (2021). Biological physics with physical methods of analysis. Ternopil: Publishing House “Textbooks and Manuals”.

[14] Freeborn, T.J., & Critcher, S. (2021). Cole-impedance model representations of right-side segmental arm, leg, and full-body bioimpedances of healthy adults: Comparison of fractional-order. Fractal and Fractional, 5(1), article number 13. doi: 10.3390/fractalfract5010013.

[15] Prasad, A., & Roy, M. (2020). Bioimpedance analysis of vascular tissue and fluid flow in human and plant body: A review. Biosystems Engineering, 197, 170-187. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2020.06.006.

[16] Bera, T.K. (2014). Bioelectrical impedance methods for noninvasive health monitoring: A review. Journal of Medical Engineering, 2014, article number 381251. doi: 10.1155/2014/381251.

[17] Roy, A., Mallick, A., Das, S., & Aich, A. (2020). An experimental method of bioimpedance measurement and analysis for discriminating tissues of fruit or vegetable. AIMS Biophysics, 7(1), 41-53. doi: 10.3934/biophy.2020004.

[18] Bera, T.K., Jampana, N., & Lubineau, G. (2016). A LabVIEW-based electrical bioimpedance spectroscopic data interpreter (LEBISDI) for biological tissue impedance analysis and equivalent circuit modeling. Journal of Electrical Bioimpedance, 7(1), 35-54. doi: 10.5617/jeb.2978.

[19] Law of Ukraine No. 3447-VI “On the Protection of Animals from Cruelty”. (2012, October). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/3447-15#Text.

[20] Reznikov, O.G. (2003). General ethical principles of experiments on animals. The first national congress on bioethics. Endocrinology, 8(1), 142–145.

[21] European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purposes. (1986). Retrieved from https://rm.coe.int/168007a67b.

[22] Universal Declaration on Animal Welfare. (2007). Retrieved from https://www.worldanimalprotection.ca/sites/default/files/media/ca_-_en_files/case_for_a_udaw_tcm22-8305.pdf.

[23] Kryvonosov, V. (2017). Diagnostics of the state of insulation of an asynchronous motor and a supply cable under conditions of local compensation. Energy. International Scientific and Technical Magazine, 60(6), 536-543. doi: 10.21122/1029-7448-2017-60-6-536-543.

[24] Kryvonosov, V., & Vasilenko, S. (2015). Influence of a dusty environment on the service life of the stator windings of asynchronous motors. Energy. International Scientific and Technical Magazine, 58(6), 35-40.

[25] Boyko, V.S., Boyko, V.V., Vydolob, Yu.F., Kurylo, I., Shekhovtsov, V., & Shidlovska, N. (2004). Theoretical foundations of electrical engineering (Vol. 1). Kyiv: IVC “Polytechnic Publishing House”.

[26] Tereshchenko, M.F., Martynenko, V.I., & Yakovenko, I.O. (2020). Patent of Ukraine No. 144016 “Method of complex bioimpedancemetry”. Retrieved from https://iprop-ua.com/inv/sfzjfjbl/.

[27] Bobyr, S. (2021). Theoretical aspects of hydrogen diffusion in metals . Scientific Herald of Uzhhorod University. Series "Physics", 50, 31-38.

[28] Bence, N., Lengyel, A. & Tarics, Z. (2022). A simple model for describing the minimum differential cross-section of elastic proton scattering on protons at high energies. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 51, 30-38.