Spektroskopia impedancyjna tkanek biologicznych – wprowadzenie z interaktywnym wykresem

Spektroskopia impedancyjna (ang. electrical impedance spectroscopy, EIS) polega na pobudzaniu badanego obiektu słabym prądem przemiennym o wielu częstotliwościach i wyznaczaniu z jego odpowiedzi modułu i fazy impedancji. W elektrochemii i w badaniach materiałów to narzędzie znane od dziesięcioleci. W odniesieniu do tkanek biologicznych mówi się zwykle o bioimpedancji. Najbardziej znanym zastosowaniem są wagi i analizatory składu ciała, ale możliwości metody są znacznie szersze.

Dwie drogi dla prądu

Z elektrycznego punktu widzenia tkanka to zbiór komórek otoczonych błonami, zanurzonych w płynie zewnątrzkomórkowym, czyli roztworze elektrolitów.

• Przy niskich częstotliwościach błony komórkowe działają jak izolatory (kondensatory o dużej reaktancji). Prąd płynie głównie przez przestrzeń zewnątrzkomórkową.
• Przy wysokich częstotliwościach reaktancja błon maleje i prąd przepływa również przez wnętrza komórek.

Przejście między tymi dwoma zakresami nazywa się dyspersją β. Dla większości tkanek przypada ono w zakresie od kilkudziesięciu kiloherców do kilku lub kilkudziesięciu megaherców. Kształt i położenie dyspersji niosą informację o proporcji płynu zewnątrz- i wewnątrzkomórkowego, o wielkości komórek i o szczelności błon. Klasyczny opis tych zjawisk przedstawił Schwan, a szeroko cytowane zestawienia właściwości dielektrycznych tkanek opracowali Gabriel i współpracownicy.

Model Cole’a

Do opisu takiej odpowiedzi stosuje się często model Cole’a (w literaturze także „model Cole’a–Cole’a”):

Z(ω) = R∞ + (R₀ − R∞) / (1 + (jωτ)α)

R₀ to rezystancja przy bardzo niskiej częstotliwości (droga zewnątrzkomórkowa), a R∞ – przy bardzo wysokiej (obie drogi równolegle). τ to charakterystyczna stała czasowa, a α (od 0 do 1) opisuje rozrzut stałych czasowych w niejednorodnej tkance. Na wykresie Nyquista (−Im Z w funkcji Re Z) model ten daje charakterystyczny, spłaszczony łuk.

Wypróbuj sam

Poniższy wykres jest poglądowy. Wartości są umowne, a zależności uproszczone, ale kierunki zmian odpowiadają opisanej fizyce. Zmniejsz uwodnienie i zobacz, jak rosną rezystancje. Zmień temperaturę i przekonaj się, że bez kompensacji temperaturowej łatwo pomylić ogrzanie próbki ze zmianą jej uwodnienia.

Gdzie się to stosuje

Analiza składu ciała

Analiza bioimpedancyjna (BIA) i jej wieloczęstotliwościowa odmiana, spektroskopia bioimpedancyjna (BIS), służą do szacowania całkowitej zawartości wody w organizmie, beztłuszczowej masy ciała oraz proporcji wody zewnątrz- i wewnątrzkomórkowej. Przegląd Kyle’a i współpracowników omawia zasady tych metod i ich ograniczenia. Wynik zależy m.in. od nawodnienia, temperatury, pozycji ciała i od równań predykcyjnych dopasowanych do badanej populacji.

Monitorowanie w medycynie

Pomiary impedancji wykorzystuje się w badaniach nad oceną obrzęków, stanu nawodnienia pacjentów dializowanych czy żywotności tkanek. Tomografia impedancyjna (EIT) pozwala z kolei obrazować rozkład przewodności, np. podczas wentylacji płuc. To obszary regulowane: urządzenie medyczne wymaga odrębnej ścieżki oceny zgodności.

Żywność i biotechnologia

Impedancja mięsa i ryb zmienia się w miarę rozpadu błon komórkowych po śmierci zwierzęcia, dlatego bada się ją jako wskaźnik świeżości i jakości. W bioreaktorach pomiary pojemności elektrycznej zawiesiny służą do śledzenia liczby żywych komórek, bo tylko komórki z nienaruszoną błoną wnoszą wkład do dyspersji β.

Wyzwania pomiarowe

• Impedancja elektrod. Na granicy elektroda–elektrolit powstaje warstwa podwójna, której impedancja przy niskich częstotliwościach może być większa niż impedancja samej tkanki. Pomagają układy czteroelektrodowe, w których prąd podaje się jedną parą elektrod, a napięcie mierzy się drugą.
• Pojemności pasożytnicze. Przy częstotliwościach rzędu megaherców pojemność przewodów i ścieżek staje się porównywalna z mierzoną impedancją. Niezbędne są krótkie połączenia, ekranowanie i kalibracja na wzorcach.
• Temperatura. Przewodność roztworów elektrolitów zmienia się o około 2% na stopień Celsjusza, więc pomiar temperatury i kompensacja są obowiązkowe.
• Elektronika. Popularne scalone analizatory impedancji pracują do ok. 100–200 kHz. Dla pełnej dyspersji β potrzebny bywa specjalizowany tor analogowy.

Źródła

1. Cole K. S. (1940). Permeability and impermeability of cell membranes for ions. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 8: 110–122. doi:10.1101/sqb.1940.008.01.013
2. Schwan H. P. (1957). Electrical properties of tissue and cell suspensions. Advances in Biological and Medical Physics 5: 147–209.
3. Gabriel S., Lau R. W., Gabriel C. (1996). The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz. Physics in Medicine and Biology 41: 2251–2269. doi:10.1088/0031-9155/41/11/002
4. Kyle U. G. i in. (2004). Bioelectrical impedance analysis – part I: review of principles and methods. Clinical Nutrition 23(5): 1226–1243. doi:10.1016/j.clnu.2004.06.004
5. Grimnes S., Martinsen Ø. G. (2015). Bioimpedance and Bioelectricity Basics, wyd. 3. Academic Press.

• impedancja
• metody pomiarowe
• bioimpedancja