БИОФИЗИКА, 2022, том 67, № 6, с. 1243-1250

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 616-092.4

РАЗРАБОТКА МЕДИЦИНСКИХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

В ПУЛЬМОНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА

*Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера МЗ РФ,

Петропавловская ул., 26, Пермь, 614990, Россия

**Институт механики сплошных сред УрО РАН - филиал Пермского федерального исследовательского центра

УрО РАН, ул. Академика Королева, 1, Пермь, 614013, Россия

***Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Комсомольский просп., 29, Пермь, 614013, Россия

****Пермский государственный национальный исследовательский университет,

ул.°Букирева, 15, Пермь, 614990, Россия

^#E-mail: permmed@hotmail.com

Поступила в редакцию 11.08.2022 г.

После доработки 07.09.2022 г.

Принята к публикации 14.09.2022 г.

С целью экспериментального подтверждения зависимости биоэлектрического импеданса от скоро-

сти потока заряженных аэрозольных частиц и состава бронхиального секрета в мелких дыхательных

путях изучен электрический импеданс аэрозоля 0.9%-го раствора NaCl в полиэтиленовых трубках

различного диаметра. Также изучен электрический импеданс в цилиндрических камерах различно-

го диаметра и объема, заполненных 0.9%-м раствором NaCl или раствором желатина. Исследования

выполнены на частотах переменного электрического тока от 20 Гц до 150 кГц. Показано, что элек-

трический ток не регистрируется в случае отсутствия потока аэрозольных частиц, а импеданс сни-

жается при увеличении скорости потока. Модуль импеданса и фазовый угол электрического импе-

данса имеют выраженную зависимость от состава токопроводящей среды, модуль импеданса увели-

чивается в среде раствора желатина, при уменьшении диаметра проводника электрического тока и

снижается при увеличении частоты зондирующего переменного тока. Таким образом, получено

подтверждение гипотезы о влиянии скорости движения соленого аэрозоля и состава бронхиального

секрета на результаты измерения электрического импеданса.

Ключевые слова: биоэлектрический импеданс, электроимпедансная спирометрия, аэрозоль, биологиче-

ские жидкости, экспериментальное исследование.

DOI: 10.31857/S0006302922060229, EDN: LMEPMW

СЕНСОРЫ В СОВРЕМЕННОЙ МЕДИЦИНЕ

медицина нуждается в многочисленных исследо-

ваниях, чтобы ответить на вопросы, для какой

Роль сенсорных систем в развитии средств элек-

группы больных или здоровых лиц предназначен

тронной медицины. Вопросы разработки и клини-

конкретный биосенсор, какие клинические зада-

ческого применения сенсоров являются сегодня

чи он решает?

активно обсуждаемой темой, способной в пер-

спективе изменить основы современной диагно-

Биосенсорный сигнал не может иметь значе-

стики и удаленного мониторинга больных.

ния вне связи с другими признаками заболева-

Сенсоры улавливают биологические сигналы фи-

ния. Как любой объективный симптом (признак

зической, химической природы, а также функци-

болезни), он должен быть связан с другими субъ-

онального, т.е. физиологического или патофи-

ективными или объективными данными. Напри-

зиологического происхождения [1, 2]. Однако

мер, в системе синдромной диагностики - с дру-

один сигнал не имеет большого клинического

гими признаками, указывающими на тот же меха-

значения, даже если он отличается от нормы. На-

низм развития заболевания [3]. Следовательно,

личие такого сигнала можно сравнить только с

биосенсорный сигнал объединяется или с други-

фактором риска развития заболевания с опреде-

ми сенсорами, или с ответами пациента на интер-

ленной клинической значимостью. Клиническая

активные вопросы анкеты, что в совокупности

1243

1244

МИШЛАНОВ и др.

позволяет развивать новые методы предваритель-

локнистой соединительной ткани. Эти помехи

ной диагностики и удаленного мониторинга па-

были минимальными при увеличении частоты

циентов. Среди различных методов регистрации

зондирующего переменного электрического то-

биологических сигналов большое внимание за-

ка. Результатом исследований стала разработка

служивает метод измерения биоэлектрического

нового метода измерения конечного диастоличе-

импеданса.

ского объема левого желудочка, среднего давле-

ния в легочной артерии и фракции выброса лево-

Электроимпедансные сенсоры оценки гемодина-

го желудочка методом высокочастотной электро-

мики. Физической основой применения методов

импедансной кардиометрии [10], а также метода

измерения электрического импеданса в кардио-

ранней диагностики левожелудочковой недоста-

логии является наличие сосудов, содержащих

точности [11].

биологические жидкости (кровь, лимфа и др.),

выполняющих роль проводников электрического

Биосенсоры оценки вентиляционной функции.

Вентиляционная функция органов дыхания че-

тока. В этой ситуации величина электрического

ловека ассоциируется, в первую очередь, с насы-

импеданса преимущественно определяется ак-

щением организма кислородом, элиминацией уг-

тивным сопротивлением, следовательно, диамет-

лекислого газа. Но в деталях этот процесс делится

ром кровеносного сосуда. Измерение электриче-

ского импеданса тела пациента следует произво-

на собственно вентиляционные механизмы - об-

дить вдоль сосуда - проводника электрического

мен газами между внешней средой и альвеолами

посредством дыхательных путей, и диффузию га-

тока, но эта очевидная истина иногда нуждается в

зов через альвеоляро-капиллярную мембрану.

уточнении для практического врача, который

Вентиляция - это движение воздушной смеси че-

должен наложить правильно электроды на тело

пациента. Изменение диаметра сосуда под влия-

рез дыхательные пути. Этот процесс характеризу-

ется скоростью, объемами, сопротивлением и

нием пульсовой волны приводит к изменению

давлением. Основными методами клинической

электрического импеданса при одинаковой дли-

оценки этих параметров являются спирометрия и

не измеряемого участка. Представленная теория

бодиплетизмография. В 2011 г. был предложен

полностью подходит для применения метода

грудной тетраполярной реографии, предложен-

метод электроимпедансной спирометрии [12]. В

основе метода лежит биполярная регистрация

ного для определения ударного объема крови и

электрического импеданса между электродом,

связанных с ним показателей сердечной деятель-

расположенным в мундштуке ингалятора, и вто-

ности [4, 5]. Неточность метода заключается в

рым электродом, расположенным на грудной

разных представлениях о путях распространения

электрического тока, т.к. в грудной клетке суще-

клетке пациента. Измерение проводят во время

ингаляции 0.9%-го раствора хлорида натрия. На-

ствует несколько параллельных сосудов, изменя-

учному обсуждению подлежат две теории распро-

ющих свой диаметр: аорта, другие артерии, вены

странения электрического тока по дыхательным

и даже - камеры сердца. Точность измерения ста-

путям. Первая указывает на влияние скорости по-

новится значительно выше, если электроды нало-

жить непосредственно на сосуд, подлежащий ис-

тока аэрозольных частиц хлорида натрия, а вто-

рая - на изменения биохимического состава сли-

следованию или на близко расположенные про-

зи, покрывающей слизистую дыхательных путей.

екционные точки в направлении этого сосуда [6].

В 2016-2019 гг. нами были проведены экспери-

Биологические ткани и жидкости имеют раз-

ментальные исследования и численные расчеты,

личные электрические свойства, в том числе раз-

продемонстрировавшие зависимость величины

личную электропроводность. Электрический им-

электрического импеданса от объема жидкости в

педанс тканей и жидкостей складывается из эле-

камере с переменным диаметром, скорости пото-

ментов активного и реактивного сопротивления,

ка жидкости в трубке, а также температуры и ион-

что позволяет различать биохимические субстан-

ного состава электролита [7]. Построены матема-

ции и ткани, а также регистрировать тканевые

тические модели, описывающие изменение объе-

компартменты, разделенные тканями с высоким

ма жидкости в соответствии с изменением

удельным сопротивлением (грубая волокнистая

электрического импеданса [8, 9]. Кроме этого,

соединительная ткань). В случае применения

были составлены эквивалентные электрические

электроимпедансной спирометрии можно выде-

цепи, позволяющие производить расчет объема

лить два главных компонента, влияющих на элек-

биологической жидкости в соответствии с вели-

трический импеданс: поток аэрозольных заря-

чинами омического и емкостного сопротивления

женных частиц и слизь, покрывающую эпителий

в цепи. При этом переменное емкостное сопро-

дыхательных путей. Состав слизи меняется в за-

тивление часто играет на практике роль неизвест-

висимости от нозологической формы заболева-

ной переменной величины, что снижает точность

ния. Слизь состоит из двух компонентов: гель -

метода и обусловлено влиянием кожных покро-

продукт подслизистых бронхиальных желез, со-

вов, температуры, состава биологических тканей,

держащий гликопротеины, пептиды, иммуногло-

в том числе присутствием элементов грубой во-

булины, биологически активные вещества, а так-

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

РАЗРАБОТКА МЕДИЦИНСКИХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

1245

«Муссон-3» имел сопоставимую производитель-

ность - 0.4 мл/мин, но аэрозоль отличался по

размеру аэрозольных частиц: 10% имели размер

до 100 мкм, 90% - менее 10 мкм. Сравнивали два

режима заполнения исследуемой трубки: нагне-

тание аэрозоля в наглухо закрытое пространство

(режим 1) и прокачивание аэрозоля через полую

трубку (режим 2). Электроды размером 8 × 20 мм,

изготовленные из технической стали, располага-

Рис. 1. Схема измерительной камеры: 1 - измеритель-

ли в одной плоскости внутри полиэтиленовых

ная камера, 2 и 3 - колпачки, 4 и 5 - электроды.

трубок на расстоянии 3, 30 и 50 мм друг от друга.

Измерение электрического импеданса выполня-

же золь - жидкий продукт бокаловидных клеток

ли с помощью программно-аппаратного комплекса

слизистой оболочки бронхов, преимущественно

«БИА-лаб Спиро», состоящего из измерительного

содержащий растворы солей (ионы). Известно,

блока (генератора переменного электрического тока

что бронхообструктивные заболевания сопро-

и регистрирующего устройства, представленного

вождаются изменением состава бронхиального

звуковой картой нетбука Acer Aspire One D257, мо-

секрета с увеличением доли продуктов подслизи-

ста Уитстона и электродов). Программно-аппарат-

стых бронхиальных желез, содержащих муцины и

ный комплекс управляется в автоматическом режи-

воспалительные белки. Особенно вязкий, часто

ме программой для ЭВМ «БИА-лаб» (Свидетель-

стекловидный, иногда в виде слепков бронхов

ство Роспатента № 2011611135). Измерительный

секрет характерен для бронхиальной астмы. Его

модуль был тестирован на стандартных сопротивле-

состав определяется продуктами воспалительных

ниях и эталонах емкостного сопротивления в диапа-

клеток, включая эозинофилы, продуцирующие

зонах от 2 до 100 кОм и от 2 пФ до 1 мкФ. Макси-

эозинофильный катионный белок, большой ос-

мальная сила тока 0.41 мА, максимальное напряже-

новной белок, эозинофильную пероксидазу,

ние 0.38 В.

эозинофильный белок Х, другие ферменты и пеп-

Исследование влияния состава биологических

тиды. В этой связи нужно помнить, что именно

жидкостей на результаты электроимпедансного

для больных бронхиальной астмой установлены

анализа. Для приготовления биологических жид-

особенно высокие показатели электрического

костей использованы 0.9%-й раствор хлорида на-

импеданса в результате применения метода элек-

трия для инфузий в стеклянных банках по 400 мл

троимпедансной спирометрии [13].

(ОАО «Красфарма», Россия) и желатин пищевой

Целью исследования явилось эксперимен-

(соответствие ТУ

9219-03-51021647-11; ООО

тальное подтверждение теоретических положе-

«Промагротехника», Россия).

ний применения электроимпедансной спиромет-

рии в диагностике и мониторинге респираторных

Были приготовлены следующие биологиче-

заболеваний, зависимости биоэлектрического

ские жидкости, отражающие по физическим, хи-

импеданса от скорости потока заряженных аэро-

мическим и биологическим свойствам два ком-

зольных частиц и состава бронхиального секрета

понента бронхиального секрета (золь и гель): фи-

в мелких дыхательных путях.

зиологический раствор хлорида натрия и раствор

желатина пищевого в физиологическом растворе

хлорида натрия (10 г/100 мл).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для измерения электрического импеданса

Оценка аэродинамики. Изучение аэродинами-

сконструирована камера (рис. 1), состоящая из

ческих факторов выполнялось в полиэтиленовых

фторопластового корпуса и электродов из нержа-

трубках длиной 7 cм и диаметром 2 и 1 cм. Такие

веющей стали; объем камеры составил 38.151 см³.

параметры были выбраны с условием имитации

движения аэрозоля в мундштуке ингалятора меж-

Как следует из рис. 1, измерительная камера,

ду установленным в нем электродом и слизистой

состоящая из фторопластовой трубки (1), имеет

оболочкой дыхательных путей. Изучали электро-

фторопластовые колпачки, которые надеты на ее

проводность аэрозоля 0.9%-го раствора натрия

оба конца с целью герметизации (2 и 3) с вмонти-

хлорида, который двигался в трубках с различной

рованными электродами из электротехнической

скоростью. Для создания аэрозоля и заполнения

стали (4 и 5), плоская поверхность которых с

камер применяли небулайзерные ультразвуковые

внутренней стороны трубки закрывает ее с торца

ингаляторы B.Well WN-116 U и

«Муссон-3».

и служит электродом. В средней части фторопла-

Производительность распыления ингалятора

стовой трубки сделано отверстие для заполнения

B.Well WN-116 U составляла 0.5 мл/мин, средний

трубки, которое в момент проведения экспери-

размер аэрозольных частиц - 3.8 мкм. Ингалятор

мента герметично закрывалось.

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

1246

МИШЛАНОВ и др.

Вторая камера аналогичного устройства имела

водительности распыления ингалятора («Мус-

меньший диаметр - 10 мм и соответственно

сон-3», производительность 0.4 мл/мин) и умень-

шении площади поперечного сечения трубки,

меньший объем - 8.164 см³.

пропускающей аэрозольные частицы, с 6.28 см

Для измерения электрического импеданса ис-

пользовали высокоточный LCR-измеритель

до 1.57 см² увеличение скорости движения аэро-

LCR-78105G (GW-Instek, Тайвань). Перед изме-

зольных частиц привело к уменьшению электри-

рением проводили калибровку LCR-измерителя.

ческого импеданса (87.42 кОм (85.24, 90.10) про-

Сам измеритель подключался к персональному

тив 112.73 кОм (107.65, 122.44) на частоте 20 кГц).

компьютеру по интерфейсу RS-232, измерения

Применение трубки диаметром 2 см сопровожда-

проводили при помощи программы для ЭВМ.

лось снижением электрического импеданса до

Программа для ЭВМ задавала параметры измере-

51.34 кОм (50.97, 52.10).

ния (дискретность, измеряемые величины — мо-

Применение двух типов ингаляторов, различа-

дуль импеданса и фазовый угол, уровень напря-

ющихся по параметрам аэрозольных частиц, про-

жения - 2 В, частоту - были использованы часто-

демонстрировало влияние размера аэрозольных

ты переменного электрического тока 20 Гц, 98 Гц,

частиц на электропроводность аэрозоля и сниже-

1 кГц, 2 кГц, 5 кГц, 10 кГц, 20 кГц, 30 кГц,

ние электрического импеданса обратно пропор-

100 кГц, 150 кГц). Указанные частотные диапазо-

ционально размерам аэрозольных частиц. При

ны выбраны с учетом результатов клинической

использовании ультразвукового ингалятора

практики с использованием метода электроимпе-

B.Well WN-116 U, создающего аэрозоль со сред-

дансной спирометрии у больных бронхиальной

ним диаметром частиц 3.8 мкм, значение модуля

астмой и хронической обструктивной болезнью

импеданса Z составило 158.24 кОм (134.12, 178.67).

легких. После этого проводили по 30 измерений

Аэрозоль, продуцируемый ингалятором «Мус-

на каждой частоте. Результаты записывали в фай-

сон-3», 10% частиц которого имеют размер до 100

лы с расширением .csv. Было выполнено по де-

мкм, а 90% не более 10 мкм, характеризовался

сять серий в каждом эксперименте. На каждой

значением Z - 114.94 кОм (112.92, 116.99). Макси-

частоте рассчитывали среднее значение модуля

мальное межэлектродное расстояние, на котором

импеданса, стандартное отклонение модуля им-

регистрируется электрический сигнал, для инга-

педанса от среднего значения, среднее значение

лятора «Муссон-3» составило более 50 мм.

фазового угла и стандартное отклонение фазово-

При заполнении ячеек физиологическим рас-

го угла от среднего значения.

твором хлорида натрия величина модуля элек-

Статистическую обработку данных выполняли

трического импеданса оказалась близка к нулю.

с применением программного пакета Statistica

Измерен импеданс ячеек, заполненных раство-

8.0. Признаки, имеющие неправильное распреде-

ром желатина. Результаты измерения в ячейке 1

ление, представлены как Ме, 25%, 75%, σ. В слу-

представлены в табл. 1, на рис. 2 (модуль импе-

чае исследования гемодинамических параметров

данса Z) и рис. 3 (фазовый угол φ); результаты из-

результаты измерения модульного значения и

мерения в ячейке 2 - соответственно в табл. 2 и на

фазового угла электрического импеданса имели

рис. 4 и 5.

правильное распределения и представлены в виде

М ± σ. Достоверность различий между выборками

независимых признаков определялась с помо-

ОБСУЖДЕНИЕ

щью критерия Манна-Уитни (при неправиль-

Экспериментальные данные указывают на

ном распределении признаков) и t-критерия (в

возможность применения метода электроимпе-

случае правильного распределения параметров).

дансной спирометрии при условии наличия

Корреляционный анализ выполняли с расчетом

крупнодисперсной фракции аэрозоля натрия

R-критерия Спирмана.

хлорида, обеспечивающего замыкание электри-

ческой цепи между электродом, установленном в

мундштуке ингалятора и слизистой оболочкой

РЕЗУЛЬТАТЫ

дыхательных путей. В эксперименте допустимое

Экспериментальные исследования, выпол-

расстояние регистрации электрического сигнала

ненные с ингаляторами двух типов, показали, что

составило 5 см, что позволяет рассчитывать, что

используемый нами зондирующий переменный

данный путь распространения электрического

электрический ток не проникает через аэрозоль

тока является значимым на отрезке цепи от мунд-

0.9%-го раствора натрия хлорида при отсутствии

штука ингалятора до слизистой оболочки трахеи

потока аэрозольных частиц. Движение аэрозоль-

и главных бронхов. Изменение скорости движе-

ных частиц позволяет регистрировать электриче-

ния аэрозольных частиц на данном отрезке элек-

ский ток и достаточно высокое сопротивление,

трической цепи обусловлено, с одной стороны,

обратно пропорциональное силе тока в потоке

мощностью ингалятора, с другой - силой дыха-

аэрозольных частиц. При фиксированной произ-

тельной мускулатуры. Следовательно, увеличе-

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

РАЗРАБОТКА МЕДИЦИНСКИХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

1247

Таблица 1. Результаты измерения параметров импеданса ячейки 1, заполненной раствором желатина

Частота, Гц

Z, Ом

σ, Ом

φ, град.

σ, град.

134.2

0.80

-42.94

0.064

84.9

0.65

-37.36

0.530

1000

55.0

<0.01

-9.93

0.024

2000

53.4

<0.01

-5.76

0.006

5000

52.5

<0.01

-2.79

0.001

10000

52.1

<0.01

-1.61

<0.001

20000

51.9

<0.01

-0.91

<0.001

30000

51.8

<0.01

-0.63

<0.001

100000

51.7

<0.01

-0.09

<0.001

150000

51.7

<0.01

-0.07

<0.001

Примечание. n = 10; σ - среднее квадратическое отклонение, Z - модуль импеданса, φ - фазовый угол.

ние электрического импеданса при различных за-

(желатина), содержащего белки, пептиды, глико-

болеваниях может зависеть от скорости воздуш-

протеины, другие сложные углеводы и минераль-

ного потока на уровне верхних дыхательных

ные вещества, отличается от минерального рас-

путей. Снижение скорости воздушного потока

творителя - физиологического раствора хлорида

является типичным признаком для вентиляцион-

натрия и убывает пропорционально увеличению

ных нарушений при бронхиальной астме, а также

частоты зондирующего переменного тока. Полу-

заболеваниях паренхимы легких [14].

ченные данные соответствуют известным элек-

трическим свойствам биологических жидкостей

Проведенный эксперимент по изучению влия-

и тканей, в том числе описанным нами ранее при

ния состава биологической жидкости на резуль-

изучении растворов солей, глюкозы, альбумина и

таты измерения электрического импеданса пока-

иммуноглобулинов человека [15-17]. В отличие

зал, что величина электрического импеданса рас-

твора комплексного биологического соединения

от предыдущих данных, в трубках большого диа-

Рис. 2. График зависимости модуля импеданса ячей-

Рис. 3. График зависимости фазового угла для ячейки 1,

ки 1, содержащей раствор желатина в физиологическом

содержащей раствор желатина в физиологическом

растворе хлорида натрия, от частоты электрического

тока.

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

1248

МИШЛАНОВ и др.

Таблица 2. Результаты измерения параметров импеданса ячейки 2, заполненной раствором желатина

Частота, Гц

Z, Ом

σ, Ом

φ, град.

σ, град.

1183.9

1.69

-20.47

0.074

1022.0

0.12

-10.20

0.050

1000

949.4

0.01

-1.89

0.005

2000

945.2

0.01

-1.07

0.001

5000

942.5

0.01

-0.51

0.001

10000

941.6

0.01

-0.30

<0.001

20000

941.0

0.01

-0.19

<0.001

30000

940.8

0.01

-0.15

<0.001

100000

940.5

0.01

-0.14

<0.001

150000

940.3

0.01

-0.17

0.005

Примечание. n = 10; σ - среднее квадратическое отклонение, Z|- модуль импеданса, φ - фазовый угол.

метра, использованных в настоящем экспери-

тей. Это обстоятельство имеет особенное

менте, солевые растворы не проявили свойств

значение для мелких дыхательных путей, диаметр

электрического сопротивления, что доказывает

которых менее 2 мм, а также путей, заполненных

максимальное влияние именно диаметра провод-

бронхиальным секретом, где движение газовой

ника электрического тока, содержащего биологи-

смеси становится медленным и диффузия газов

ческие жидкости. Это положение продемонстри-

определяется свойствами бронхиального секрета.

ровано нами с использованием двух камер раз-

Можно утверждать, что метод электроимпеданс-

личного диаметра. Полученные результаты

ной спирометрии имеет максимальную зависи-

подтверждают гипотезу о влиянии состава брон-

мость от двух компонентов - скорости движения

хиального секрета на результаты электроимпе-

воздушного потока в крупных дыхательных путях

и состава бронхиального секрета мелких дыха-

дансной спирометрии, но показывают главен-

тельных путей.

ствующее влияние диаметра воздухоносных пу-

Рис. 4. График зависимости модуля импеданса ячей-

Рис. 5. График зависимости фазового угла для ячейки 2,

ки 2, содержащей раствор желатина в физиологическом

содержащей раствор желатина в физиологическом

растворе хлорида натрия, от частоты электрического

тока.

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

РАЗРАБОТКА МЕДИЦИНСКИХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

1249

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ НОРМ

В результате исследования получено подтвер-

Настоящая статья не содержит каких-либо ис-

ждение гипотезы, что основными факторами,

следований с участием людей или животных в ка-

влияющими на результаты электроимпедансной

честве объектов исследований.

спирометрии, являются: скорость движения воз-

душного потока в крупных дыхательных путях и

состав бронхиального секрета мелких дыхатель-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ных путей. Вместе с тем внедрение нового метода

C. B. Wilson, BMJ (Clinical Research Ed.), 319 (7220),

в клиническую практику будет более эффектив-

1288 (1999).

ным в случае реализации удаленного мониторин-

га пациентов c респираторными заболеваниями.

N. Bhalla, P. Jolly, N. Formisano, and P. Estrela, Es-

Большое количество разрабатываемых сенсоров

says in Biochemistry, 60 (1), 1 (2016).

нуждаются в клинических испытаниях и серти-

А. Г. Чучалин, В. А. Черешнев, В. Ю. Мишланов

фикации в качестве медицинских изделий. Акту-

и др., Биоэтика, искусственный интеллект и меди-

альными вопросами внедрения новых сенсорных

цинская диагностика (ПГМУ, Пермь, 2019).

систем являются точность регистрации биологи-

М. А. Зубарев, А. А. Думлер и В. А. Русов, А.с.

ческих параметров, воспроизводимость результа-

СССР № 1671263 (1991).

та, удобство, осуществимость, применимость ме-

тодики, наличие инженерной технической под-

В. А. Шутов, М. А. Зубарев, А. А. Думлер и

держки производителя в процессе медицинской

А. А. Крылов, Патент РФ № 2145792 (2000).

эксплуатации, включение в клинические реко-

Национальные рекомендации по ведению пациентов с

мендации [18]. Не менее важным вопросом, вли-

сосудистой артериальной патологией (Российский

яющим на эффективность клинических испыта-

согласительный документ) (2010).

ний и практическое использование новых техно-

A. L. Zuev, V. Ju. Mishlanov, N. V. Shakirov, and

логий, на наш взгляд, является обеспечение

A. I. Sudakov, IOP J. Phys.: Conf. Series, 1945, 012065

доступности клинической информации для вра-

(2021).

ча. Идеология многих производителей сенсоров

направлена на конечного потребителя - пациен-

А. Л. Зуев, В. Ю. Мишланов, А. И. Судаков и

та, который является анализатором полученной

Н. В. Шакиров, Росс. журн. биомеханики, 14 (3),

медицинской информации, что противоречит

68 (2010).

принципам оказания медицинской помощи. Не-

А. Л. Зуев, В. Ю. Мишланов, Н. В. Шакиров и др.,

решенными задачами являются: безопасность пе-

Росс. журн. биомеханики, 16 (1), 110 (2012).

редачи электронной информации в офис врача в

режиме реального времени, а также формирова-

10.

В. Ю. Мишланов, Патент РФ № 2547961 (2015).

ние медицинского заключения с учетом новых

11.

В. Ю. Мишланов, И. В. Мишланова и Я. В. Ми-

параметров оценки здоровья человека.

шланов, Патент РФ № 2499553 (2013).

12.

В. Ю. Мишланов, Вестн. соврем. клинич. медици-

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

ны, 4 (4), 24 (2011).

13.

В. Ю. Мишланов, А. Л. Зуев, Т. Л. Устьянцева

Исследование выполнено при поддержке Рос-

и др., Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 99

сийского фонда фундаментальных исследований

(12), 1425 (2013).

(грант р_НОЦ_Пермский край № 20-415-596008

«Концепция реабилитации больных, перенесших

14.

Функциональная диагностика в пульмонологии:

инфекцию Covid-19, путем ингаляционной тера-

практическое руководство, под ред. А. Г. Чучалина

пии с применением природного минерального

(Издат. холдинг «Атмосфера», М., 2009).

комплекса месторождений Пермского края в со-

15.

A. L. Zuev, V. Ju. Mishlanov, N. V. Shakirov, and

ставе солей церия, марганца, цинка и серебра и

A. I. Sudakov, IOP J. Phys: Conf. Series, 1945, 012066

разработка принципов мониторинга пациентов с

(2021).

применением системы интерактивных опро-

16.

В. Ю. Мишланов, А. Л. Зуев, Я. В. Мишланов и др.

сов»).

В кн.: XIX Зимняя школа по механике сплошных

сред: тез. докл. 212 (2015).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

17.

В. Ю. Мишланов, И. В. Мишланова, Я. В. Мишла-

нов и С. Л. Мишланова, Патент РФ № 2548778

В.Ю. Мишланов имеет патент РФ № 2487662

(2015).

от

20.07.2013.

«Способ диагностики функции

внешнего дыхания с помощью импедансной спи-

18.

https://sps.honeywell.com/us/en/support/blog/siot/

рографии и программно-аппаратный комплекс

complete-guide-to-medical-sensors-benefits-and-ap-

«БИА-лаб Спиро» для его осуществления».

plications.

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022

1250

МИШЛАНОВ и др.

An Electric Impedance-Based Construction of Medical Sensor Systems

in Pulmonary Medicine

V.Ju. Mishlanov*, A.L. Zuev**^, ***, and Ya.V. Mishlanov****

* Perm State University named after academician E.A. Wagner, Ministry of Health of the Russian Federation,

Petropavlovskya ul. 26, Perm, 614990 Russia

**Institute of Continuous Media Mechanics, Perm Federal Research Center of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

ul. Akademika Koroleva 1, Perm, 614013 Russia

***Perm National Research Polytechnic University, Komsomolsky prosp. 29, Perm, 614990 Russia

****Perm State National Research University, ul. Bukireva 15, Perm, 614990 Russia

To receive experimental confirmation for bioelectrical impedance dependence on charged aerosol particles

f low velocity as well as on bronchial secret chemical content in small airways, the electrical impedance of Na-

Cl 0.9% spray aerosol in polyethylene tubes of different diameter was studied. Electrical impedance measure-

ments have been performed on cylinder chambers of different diameter and volume containing NaCl 0.9%

spray aerosol or gelatin solution. The experiments were conducted using different frequencies of alternating

current from 20 Hz up to 150 KHz. It was shown that electrical current was not registered in the absence of

aerosol flow with particles and the magnitude of electrical impedance decreased when flow rate increased.

The module of electrical impedance and its phase angle are significantly dependent on the electrical media

content, the module of electrical impedance increases in gelatin media, when electrical current conductor di-

ameter decreases and will decrease if the frequency of alternating current increases. As a result, the hypothesis

was confirmed that the velocity of airflow in large airways and the content of bronchial secret in small airways

are the main factors affecting electrical impedance measurements.

Keywords: bioelectrical impedance, electroimpedance spirometry, aerosol, biological fluids, experimental study

БИОФИЗИКА том 67

№ 6

2022