A usage of the impedance method for detecting circulatory disorders to determine the degree of limb ischemia

• Autorzy: Kryvonosov Valerii , Avrunin Oleg , Sander Sergii , Pavlov Volodymyr , Martyniuk Liliia , Zhumazhanov Bagashar

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.5393

Warianty tytułu

PL

Impedancyjna metoda wykrywania zaburzeń krążenia krwi do określenia stopnia niedokrwienia kończyny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

New engineering technologies allow the creation of diagnostic devices for predicting the development of acute tissue ischemia of the extremities and determining the residual time until the removal of the tourniquet, and solving these tasks is particularly relevant during military actions. Acute limb ischemia is a sudden critical decrease in perfusion that threatens the viability of the limb. The incidence of this condition is 1.5 cases per 10 000 peopleper year. Acute ischemia occurs due to the blockage of blood flow in major arteries (embolism, thrombosis, trauma), leading to the cessation of adequate blood supply to metabolically active tissues of the limb, including the skin, muscles, and nerve endings. To address these issues, the article analyzesthe changes in the impedance of biological tissue. The introduction and use of the coefficient of relative electrical conductivity, denoted as k,as a diagnostic criterion parameter, are justified. Experimental studies of changes in the coefficient of relative electricalconductivity k were conducted, confirming that the transition from exponential to linear dependencies of the coefficient establishes the degree of viability of the biological cell (tissue)and the moment of occurrence of reperfusion syndrome.It has been established that a deviation of the value of k by 10–15% from its unit value diagnoses the initial process of blood perfusion impairment and the development of ischemic tissue disease. The rate of change of k serves as a criterionfor predicting the progression of the disease and as a corrective factor for therapeutic treatment.

PL

Nowetechnologieinżynieryjneumożliwiają tworzenieurządzeń diagnostycznychdoprzewidywaniarozwojuostregoniedokrwieniatkanekkończyniokreślaniaczasupozostałegodousunięciaopaskiuciskowej.Rozwiązanietychzadań jestistotne, zwłaszczapodczasoperacjiwojskowych. Ostre niedokrwienie kończyny to nagłe,krytyczne zmniejszenie perfuzji, które zagraża żywotności kończyny. Częstość występowania tego schorzenia wynosi 1,5przypadku na 10 000 osób rocznie. Do ostrego niedokrwienia dochodzi w wyniku zablokowania przepływu krwi w głównych tętnicach(zatorowość,zakrzepica, uraz), co prowadzi do ustania odpowiedniego ukrwienia metabolicznie aktywnych tkanek kończyny, w tym skóry, mięśni i zakończeń nerwowych. Aby rozwiązać wybrane problemy, w artykule przedstawiono analizęzmianyimpedancji tkanki biologicznej. Uzasadnione jest wprowadzeniei stosowanie współczynnika przewodności elektrycznej względnejk, jako parametru kryterium diagnostycznego. Przeprowadzono eksperymentalne badania zmiany współczynnika względnego przewodnictwa elektrycznego k, które potwierdziły, że przejście zmiany współczynnika względnego przewodnictwa elektrycznego z zależności wykładniczej na liniową będzie determinować stopień żywotności komórki biologicznej (tkanki) i moment wystąpienia zespołu reperfuzyjnego.Ustalono, że odchylenie wartości k o 10–15% od jego wartości jednostkowej świadczy o początkowym procesie zaburzenia perfuzji krwii rozwoju choroby niedokrwiennej tkanek, a szybkość zmiany jest kryterium do przewidywania rozwoju choroby i czynnika korygującego w postępowaniu terapeutycznym.

Słowa kluczowe

EN

ischemic tissue disease; perfusion; reperfusion syndrome; tourniquet; transient process; ionization

PL

choroba niedokrwienna tkanek; perfuzja; zespół reperfuzji; staza hemostatyczna; proces przejściowy; jonizacja

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 13, nr 4
• Strony: 5--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kryvonosov Valerii

• National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-8219-021X

autor

Avrunin Oleg

• Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-6312-687X

autor

Sander Sergii

• Vinnitsia National Medical University named after M.I. Pirogov,Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-2018-273X

autor

Pavlov Volodymyr

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-0717-7082

autor

Martyniuk Liliia

• National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

• https://orcid.org/0009-0007-3852-5610

autor

Zhumazhanov Bagashar

• https://orcid.org/0000-0002-5035-9076

Bibliografia

• [1] Bera T. K.: Bioelectrical Impedance and The Frequency Dependent Current Conduction Through Biological Tissues: A Short Review. IOP Conference Series Materials Science and Engineering 331(1), 2018, 012005.
• [2] Bera T. K.: Methods of bioelectrical impedance for non-invasive health monitoring. Review article. 2014, 381251.
• [3] Blaisdell F. W.: The pathophysiology of skeletal muscle ischemia and the reperfusion syndrome: a review, Cardiovasc. Surg., 10(6), 2002, 620–630.
• [4] Bosboom E. M., Hesselink M. K., Oomens C. W., Bouten C. V., Drost M. R., Baaijens F. P.: Passive transverse mechanical properties of skeletal muscle under in vivo compression. J Biomech, Oct 34(10), 2001, 1365–1368.
• [5] Bouten C. V. C., Breuls R. G. M., Peeters E. A. G., Oomens C. W. J., Baaijens F. P. T.: In vitro models to study compressive strain-induced muscle cell damage. Biorheology 40(1–3), 2003, 383–388.
• [6] Didukh V. D.: Biological physics with physical methods of analysis: teaching. Village, Ternopil, 2021.
• [7] European Convention "On the Protection of Vertebrate Animals Used for Research and Other Scientific Purposes". Strasbourg, 1986.
• [8] Frink M., Lechler P., Debus F., Ruchholtz S.: Multiple trauma and emergency room management. Dtsch. Arztebl. Int 114(29–30), 2017, 497–503.
• [9] Jiang Z., Yao J., Wang L., Wu H., Huang J., Zhao T., Takei M.: Development of a portable electrochemical impedance spectroscopy system for bio-detection. IEEE Sensors Journal, 19(15), 2019, 5979–5987 [http://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2911718].
• [10] Katelyan O. V. et al.: Study of the peripheral blood circulation of an abdominal wall using optoelectronic plethysmograph. Information Technology in Medical Diagnostics II. CRC Press, Balkema book, Taylor & Francis Group, London, 2019, 119–125.
• [11] Koutsouras D. A., Lingstedt L. V., Lieberth K., Reinholz J., Mailänder V., Blom P. W. M., Gkoupidenis P.: Probing the impedance of a biological tissue with PEDOT:PSS-Coated metal electrodes: Effect of electrode size on sensing efficiency. Adv. Healthcare Mater. 8, 2019, 1901215 [http://doi.org/10.1002/adhm.201901215].
• [12] Kozlovska T. I. et al.: Device to determine the level of peripheral blood circulation and saturation. Proc. SPIE 10031, 2016, 100312Z.
• [13] Krivonosov V. E., Pavlov S. V., Sander S. V., Martyniuk L. V.: Method of detection and control of the development of ischemia of biological tissue. Patent No. 118335, dated 11.05.2023.
• [14] Kryvonosov V., Prudnikova N., Martyniuk L.: Justification of the electrical scheme of biological tissue replacementunder the action of DC voltage. Machinery & Energetics 13(4), 2022.
• [15] Law of Ukraine No. 3447-VI "On the Protection of Animals from Cruelty", October 16, 2012.
• [16] Maegele M., Spinella P., Schöchl H.: The acute coagulopathy of trauma: mechanisms and tools for risk stratification. Shock 38, 2012, 450–458.
• [17] Mansoorifar A., Koklu A., Shihong M., Raj G. V., Beskok A.: Electrical Impedance Measurements of Biological Cells in Response to External Stimuli. Anal. Chem. 90(7), 2018, 4320–4327.
• [18] Martsenyuk V. P.: Medical and biological physics. Ukrmedknyga, Ternopil, 2012.
• [19] Naranjo-Hernández D., Reina-Tosina J., Min M.: Fundamentals, Recent Advances, and Future Challenges in Bioimpedance Devices for Healthcare Applications. 2019, 9210258 [http://doi.org/10.1155/2019/9210258].
• [20] Norgren L., Hiatt W. R., Dormandy J. A., Nehler M. R., Harris K. A., Fowkes F. G.: Inter-Society Consensus for the Management of Peripheral Arterial Disease (TASC II). J Vasc Surg. 45, 2007, S5-S67.
• [21] Oyeniyi B. T. et al.: Trends in 1029 trauma deaths at a level 1 trauma center. Injury 48(1), 2017, 5–12.
• [22] Paradis S. et al.: Chronology of mitochondrial and cellular events during skeletal muscle ischemia-reperfusion. American Journal of Physiology. Cell Physiology, 310(11), 2016, C968–C982 [http://doi.org/10.1152/ajpcell.00356.2015].
• [23] Pavlov S. V. et al.: Analysis of microcirculatory disorders in inflammatory processes in the maxillofacial region on based of optoelectronic methods. Przeglad Elektrotechniczny 93(5), 2017, 114–117.
• [24] Pavlov S. V. et al.: Electro-optical system for the automated selection of dental implants according to their colour matching. Przeglad Elektrotechniczny 93(3), 2017, 121–124.
• [25] Prasad A., Roy M.: Bioimpedance analysis of vascular tissue and fluid flow in human and plant body: A review. Biosystems Engineering 197, 2020, 170–187.
• [26] Tereshchenko N. F., Tsapenko V. V., Chuhraev N. V.: Research of electrical conductivity of biological animals. Bulletin of NTUU "KPI". Instrumentation series 53(1), 2017.
• [27] Wang G.: Holder David S: Electrical Impedance Tomography (1st edition). BioMedical Engineering OnLine 4, 2005, 27 [http://doi.org/10.1186/1475-925X-4-27].
• [28] Wójcik W. et al.: Medical Fuzzy-Expert System for Assessment of the Degree of Anatomical Lesion of Coronary Arteries. International Journal of Environmental Research and Public Health 20(2), 2023, 979 [http://doi.org/10.3390/ijerph20020979].
• [29] Wójcik W., Smolarz A.: Information Technology in Medical Diagnostics. CRC Press, 2017.
• [30] Zarutskyi Y. L., Shudrak A. A.: Instructions for military field surgery. Chalchynska N. V.: Damage to the main vessels. Kyiv 2014, 351–373.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).