УДК 612.813
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИМПЕДАНСА НЕРВА in situ
© 2012 г. С. В. Ревенко1*, И. Ю. Гаврилов1, В. И. Кирпатовский2, И. С. Мудрая2, А. В. Нестеров1, Л. Я. Селектор1, Р. А. Хромов2
Институт экспериментальной кардиологии РКНПКМинздравсоцразвития РФ, 121552 Москва, 3-я Черепковская, 15 *электронная почта: s_revenko@mail.ru 2Научно-исследовательский институт урологии Минздравсоцразвития РФ, Москва, 3-я Парковая, 51
Поступила в редакцию 12.09.2011 г.
Предложен новый способ оценки электрической активности в целом нерве in situ, основанный на гармоническом анализе микровариаций импеданса нерва, измеренных с помощью внеклеточных электродов. Амплитудный спектр вариаций биоимпеданса бедренного нерва (Z-спектр) наркотизированных крыс позволил определить уровень тонической асинхронной активности в полосе частот от 20 до 600 Гц с амплитудным разрешением 1%, а также выявить ритмичную (синхронную) нервную активность на частотах Майера (0.1 Гц) и дыхания с амплитудным разрешением 0.1%. Системное введение атропина, выбранного в качестве агента, сдвигающего симпатовагальный баланс в пользу симпатической нервной системы, вызвал усиление как синхронной, так и асинхронной активности нерва. Исследование показало, что гармонический анализ микровариаций биоимпеданса нерва является новым и полезным инструментом оценки нервной активности в частотной области.
Ключевые слова: микровариации биоимпеданса нерва, гармонический анализ, ритмичная активность, атропин.
змерение импеданса биологических тканей (биоимпеданса) является рутинным электрофизиологическим методом, направленным на оценку системного или регионального кровотока [1,2], водно-жирового баланса в тканях человека [3], а также на выявление онкологических процессов [4]. В последнее время появились данные, указывающие на то, что биоимпеданс позволяет оценить уровень региональной активности автономной нервной системы [5—7]. Такое расширение информационной ценности биоимпеданс-ных измерений стало возможным благодаря созданию измерителей импеданса с высокой разрешающей способностью (250 мкОм) и широким динамическим диапазоном (90 дБ), скоростных многоразрядных АЦП (16 разрядов при скорости оцифровки в сотни килогерц), а также высокопроизводительных компьютеров, позволяющих осуществить гармонический анализ длительных (порядка 10 мин) записей биоимпеданса, охватывающих сотни кардиоциклов [5, 6].
Целью настоящего исследования является оценка возможностей метода гармонического анализа биоимпеданса в отношении активности целого нерва in situ. Очевидные предпосылки такого исследования состоят в том, что импульсная активность в нерве сопровождается значительным изменением электрического импеданса мембран тысяч нервных волокон, входящих в его со-
став. Принципиальная особенность биоимпе-дансных измерений нервной активности, отличающая этот метод от рутинных измерений составного потенциала действия (ПД) нерва, — монополярность изменения биоимпеданса в нервном волокне в отличие от биполярного характера его внеклеточного ПД. Это отличие позволяет надеяться на обнаружение с помощью биоимпедансной техники тех слабых изменений активности нерва, которые из-за взаимных элиминаций несинхронных биполярных сигналов тысяч нервных волокон в нервном стволе ускользают от внимания исследователей при внеклеточном отведении составного ПД.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Опыты проводили на крысах Вистар весом 200—240 г (п = 7), наркотизированных внутри-брюшинно нембуталом (50 мг/кг). Выделяли ветвь бедренного нерва и укладывали ее на два не-поляризующихся хлорсеребряных проволочных электрода с межэлектродным расстоянием 2 мм. Электроды подключали к измерителю импеданса по двухполярной схеме. Измерения проводили по каналу полного импеданса в диапазоне 0—1 кОм с разрешающей способностью 50 мОм и по каналу переменной составляющей импеданса в диапазоне ±4 Ом с разрешающей способностью 250 мкОм.
А, мОм
50 -25
0
А, мОм
0.50 0.25 -
0
100
200
300
400
500
600
700 Гц
Рис. 1. Спектр биоимпеданса бедренного нерва наркотизированной крысы в норме (а) и после смерти крысы (б). Все пики на частотах от 50 Гц и выше являются артефактами цифровых и электрических помех, однако промежутки между пиками отражают уровень неритмичной нервной активности (а) или электрического шума измерительной системы (б) в соответствующих полосах частот. Полное сопротивление нерва между электродами 950 Ом (а) и 990 Ом (б). Из-за увеличения масштаба по ординате на спектре (б) стали видны дополнительные узкие пики-артефакты. Частотная полоса 0.05—800 Гц, эпоха 5.12 с, частота оцифровки 1600 Гц.
а
Частота и амплитуда синусоидального зондирующего тока составляли 100 кГц и 2 мА соответственно. Сигналы по каждому каналу биоимпеданса оцифровывали с частотой 16 кГц, прореживали в 10 раз и фильтровали вычислительными методами с помощью фильтра Бесселя второго порядка. Нижняя частота среза по каналу переменной составляющей биоимпеданса составляла 0.05 Гц, а верхняя — 20 или 800 Гц в зависимости от варианта вычисления спектра.
Для выполнения быстрого преобразования Фурье запись биоимпеданса делили на эпохи длительностью 40.96 с (65 536 точек), что соответствует частотной разрешающей способности спектра 0.024 Гц. При вычислении спектра биоимпеданса (2-спектра) применяли окно Ханнинга. Спектры, вычисленные по нескольким последовательным эпохам выделенного фрагмента записи биоимпеданса, усредняли. Финальный график (2-спектр) представляли как зависимость амплитуды периодической составляющей биоимпеданса от частоты. Метод гармонического анализа длительных записей биоимпеданса, охватывающих сотни кардиоциклов, подробно изложен в статьях [5, 6].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оригинальный импедансметр и анализирующая программа позволили получать амплитудный спектр биоимпеданса скелетных и гладких мышц с амплитудной разрешающей способностью 0.05 мОм [5, 6]. Эта величина соответствует уровню собственных шумов импедансметра, что подтверждено и в данном исследовании при сопоставлении спектров биоимпеданса нерва живых и мертвых крыс (рис. 1а, б; рис. 2б, в).
2-спектры нерва живых крыс существенно превышали спектр собственных шумов импе-дансметра, указывая на суммарную электрическую активность нерва в области частот от 0.05 до 600 Гц (рис. 1а). В области частот от 50 Гц и выше амплитудный спектр содержал высокие и узкие спектральные пики, которые были артефактами, вызванными недостаточным подавлением электромагнитных помех, в том числе высокочастотных помех, превышающих по частоте половину частоты дискретизации (8 кГц) и приводящих к спектральным искажениям, известным как "подмена частот". Содержательной частью такого спектра являются равномерные участки между пиками-артефактами. На этих участках амплитуда спектра биоимпеданса нерва падала с ростом частоты до 50—60 Гц, после чего она отличалась относительным постоянством (5—10 мОм) до
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИМПЕДАНСА НЕРВА
141
Ом а
10 с
А, мОм б
,Я1
0 12345678
Гц
Рис. 2. Ритмичная активность в нерве, выявляемая гармоническим анализом импеданса в области низких частот (доли и единицы герц). а — Переменная составляющая биоимпеданса бедренного нерва наркотизированной крысы в норме (2-нейрограмма). Отчетливо виден дыхательный ритм изменения биоимпеданса на частоте 1.3 Гц. б — Амплитудный спектр биоимпеданса нерва (2-спектр) в норме, соответствующий (а). Показаны основные (М1, Ш) и высшие гармоники майеровского (М2) и респираторного (Я2—Я4) ритмов. в — Амплитудный спектр биоимпеданса нерва через 15 мин после смерти крысы. Спектры вычисляли с эпохой 40.96 с после фильтрации записей в полосе 0.05—20 Гц.
400—450 Гц. Далее в области частот приблизительно до 600 Гц амплитуда спектра монотонно снижалась практически до нуля. В целом, можно утверждать, что в области частот 50—400 Гц 2-спектр нерва является приблизительно равномерным, отражая его неритмичную активность. В области частот 400—600 Гц спектр биоимпеданса нерва является монотонно падающей функцией. В области низких частот от 0.05 до 50 Гц спектр в целом также монотонно снижался, однако при этом содержал узкие пики, описанные ниже. После смерти крыс 2-спектр нерва снижался во всей анализируемой полосе частот (0.05—600 Гц) до уровня собственных шумов измерительной системы 0.05 мОм (рис. 1б). Это означает, что спектр неритмичной активности нерва превышает уровень собственных шумов импедансметра в 100— 200 раз. Иными словами, гармонический анализ биоимпеданса нерва способен выявить его неритмичную активность в частотной полосе от 20 Гц до 600 Гц (исключая узкие частотные полосы с пиками-артефактами) с точностью не хуже 1%.
В области низких частот от 0.05 до (приблизительно) 20 Гц амплитудный спектр (рис. 2б) был свободен от пиков-артефактов, однако содержал характерные пики, соответствующие частоте Майера 0.1 Гц (М1) и частоте дыхания (Я1). Кро-
ме того, спектр содержал высшие гармоники этих ритмов (рис. 2, рис. 4). На рис. 2а показана запись переменной составляющей импеданса нерва (2-нейрограмма) в области частот 0.05—20 Гц, на которой респираторный ритм электрической активности нерва виден непосредственно (т.е. без
А, мОм
J_I
0 50 100 150 Гц
Рис. 3. Усиление неритмичной активности в бедренном нерве наркотизированной крысы атропином. Амплитудный спектр импеданса нерва (2-спектр) в норме (1) и через 30 мин после внутримышечной инъекции 40 мкг/кг атропина (2). Узкий пик на частоте 50 Гц является артефактом. Частотная полоса 0.05— 800 Гц, эпоха 5.12 с.
А, мОм 150
100
50
0
А, мОм ЦМ1
500 400 300 200 100
0
8 Д Гц
1
2
3
4
5
6
7
8 Д Гц
Рис. 4. Усиление атропином (40 мкг/кг внутримышечно) ритмичной активности в бедренном нерве наркотизированной крысы. Низкочастотная область амплитудного спектра импеданса нерва (2-спектра) в норме (а) и через 20 мин после внутримышечной инъекции атропина (б). Частотная полоса 0.05—20 Гц, эпоха 40.96 с.
гармонического анализа). Кроме того, видны и более медленные колебания. Эти ритмичные изменения импеданса с высокой точностью выявляются гармоническим анализом, позволяя оценить ритмичную активность в нерве. Существенн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.