Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Возможности КВЧ-диэлектрометрии в определении морфо-функционального состояния биологических жидкостей и тканей in situ в норме и патологии

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Возможности КВЧ-диэлектрометрии в определении морфо-функционального состояния биологических жидкостей и тканей in situ в норме и патологии"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах- рукописи

РГ6 од

ТУРКОВСКИЙ • ИВАН ИВАНОВИЧ

ВОЗМОЖНОСТИ КВЧ-ДИЭЛЕКТРОМЕТРИИ В ОПРЕДЕЛЕНИИ МОРФО-ФУНКВДОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И ТКАНЕЙ IN SITU В НОРМЕ И ПАТОЛОГИИ.

03.00.02. - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Москва 1997

Работа выполнена в Военно-медицинской академии

Научный руководитель: • Доктор физико-математических наук профессор А.Н.КУЗНЕЦОВ

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук профессор В.И.ПАСЕЧНИК Доктор медицинских наук Л.Г.КОРКИНА

Зедущее учреждение: Институт Физико-Хшической медицины

Защита диссертации состоится "_" _ 199? года в

"_" часов на заседании диссертационного Совета К 084.14.04.

в Российском государственном медицинском университете (117869, Москва, уд. Островитянова, д.!)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГМУ

Автореферат разослан "_" _ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат медицинских наук доцент И.В.БУРОМСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной медицине до сих пор остается насущной и во многом нерешенной задачей прижизненная тонкая диагностика начальных изменений функционального состояния тканей. Руководствуясь принципом минимального вмешательства, диагностику функционального состояния биологических тканей и жидких сред целесообразно осуществлять на основе спектроскопических методов, поскольку особенности взаимодействия электромагнитных излучений с биообъектами содержат важную информацию о структуре вещества не разрушая его, уровень же изучаемой структуры (надмолекулярный, молекулярный, атомный) определяется диапазоном излучения.

Важное значение коллоидного состояния цитоплазмы, жидких биологических сред для их функциональной активности обусловливает интерес к микроволновому диапазону электромагнитных излучений, позволяющему исследовать гидратную структуру нативных коллоидов и биомакромолекул.

Один из основных методов микроволновой спектроскопии (v = 3 - 300 гигагерц) - КВЧ-диэлектрометрия - активно используется в физике и физической химии при изучении межмолекулярных взаимодействий и надмолекулярной структуры вещества, механизмов поглощения электромагнитного излучения веществом (Браун В., 1961; Ахадов Я.10., 1972; Аксенов С.И., 1990). В последние 10-15 лет микроволновая диэлектрометрия нашла применение при изучении взаимодействия белков и белково-липидных комплексов с их гид-ратным окружением (Щеголева Т.Ю., 1988). СВЧ-диэлектрическая спектроскопия успешно применяется в изучении механизмов взаимодействия мембранных рецепторов нативных эритроцитов с нестероидными гормонами и рядом лекарственных препаратов (Малая Л.Г., Щеголева Т.Ю., Бахова Л.К., 1988).

Ведущая роль физико-химических нарушений коллоидного равновесия цитоплазмы, интерстиднальной жидкости, крови при нарушениях жизнеспособности (Лопухин Ю.М., Коган Э.М., 1975); технические трудности применения (особенно in vivo) существующих методов определения физико-химического состояния биоколлоидов, например, люминесцентного анализа (Гулиева Ш.К., 1978) и уникальные возможности диэлектрической спектроскопии в диапазоне миллиметровых длин волн в оценке параметров гидратации биообъектов (Кузнецов А.Н., 1994) побудили нас применить КВЧ-дизлект-

рометрию для определения жизнеспособности мягких тканей и исследования электрических характеристик биологических жидкостей (крови и желчи) при различных функциональных состояниях, сопровождающихся изменениями их коллоидного равновесия и соответственно параметров гидратации.

Целью исследования является изучение связей диэлектрических параметров биообъектов, измеряемых в области микроволн, с морфо-функшональными характеристиками различных биологических жидкостей и тканей, исследуемых in vitro и in vivo, для выяснения реальных возможностей КВЧ-диэлектрометрии в определении функционального состояния различных биологических жидкостей и тканей.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику определения комплексной диэлектрической проницаемости биообъектов in vivo в КВЧ диапазоне на основе измерения комплексного коэффициента отражения волноводных волн.

2. Подобрать биологические модели, соответствующие различному уровню морфо-функционального состояния биологических жидкостей и тканей и изучить их.

3. Изучить связь микроволновой диэлектрической проницаемости кожных аутотрансплантатов, измеренной in vivo, с активностью репаративных и некробиотических процессов. Выяснить диагностическую значимость КВЧ-диэлектрометрии кожно-мышечных лоскутов для прогноза их жизнеспособности и контроля эффективности биорегулирующей терапии.

4. Изучить динамику компонент микроволновой комплексной диэлектрической проницаемости фракций крови при развитии эндо-токсикоза. Исследовать возможность применения КВЧ-диэлектромет-рии крови и ее фракций при контроле эффективности гемокорриги-руювдх операций.

5. Исследовать диэлектрические параметры пузырной желчи человека в области миллиметровых радиоволн и изучить их связь со стабильностью коллоидного равновесия желчи. Проанализировать диагностические возможности КВЧ-диэлектрометрии желчи при развитии холелитиаза.

Научная новизна работы. Впервые методика микроволновой диз-

лектрометрии применена к исследованию биологических тканей in vivo при частотах выше 30 ГГц. При этом в результате проведенного анализа впервые показаны реальные возможности микроволновой диэлектрометрии в ранней диагностике типических патологических состояний разнообразных биологических жидкостей и тканей.

Практическая значимость работы.

1. В работе предложены радиоспектроскопические критерии жизнеспособности мягких тканей аутотравсллантатов, использование которых позволяет, по крайней мере за сутки до появления биохимических и гистологических признаков некробиоза, прогнозировать его развитие.

2. В работе предложены радиоспектроскопические критерии неустойчивости коллоидного состояния пузырной желчи. Исследована возможность диагностики развитии холелитиаза на физико-химической стадии, определения литогенности желчи и разработки показаний к ранней профилактике желчнокаменной болезни.

Внедрение в практику. Методика КВЧ-диэлектрометрии кожи in vivo применена в клинике челюстно-лицевой хирургии Военно-медицинской академии для контроля эффективности консервативного лечения послеоперационных рубцов. КВЧ-диэлектрометрия пузырной желчи применяется в контроле эффективности холелитической терапии больных желчнокаменной болезнью в клинике общей терапии N2 ВМедА.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенная в работе конструкция волноводного излучателя КВЧ-диэлектрометра позволяет добиться выделения одномодового и одночастотного отраженного волноводного излучения, необходимого для проведения корректного анализа экспериментальных данных по микроволновой диэлектрометрии.

2. Рассчитанная на основе экспериментально определенного коэффициента отражения волноводной волны комплексная диэлектрическая проницаемость характеризует морфо-функциональное состояние биологических тканей.

3. Величины компонент комплексной диэлектрической проницаемости различных биообъектов в КВЧ-диалазоне могут служить значимым диагностическим критерием в прогнозе ряда патологических состояний различных биологических жидкостей и тканей: ишемии и

некроза кожи, эндотоксикоза, желчнокаменной болезни.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы были доложены на V Международном симпозиуме по пластической и реконструктивной микрохирургии (ноябрь 1994 года); на Международном Фальк-симпозиуме-92 (июнь 1996 года).

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ. На "Способ определения жизнеспособности тканей биологических объектов и устройство для его осуществления" получено авторское свидетельство на изобретение N 18369Í5 М. кл. А61 В5/00 от 30.03.95.

На "Способ диагностики стадии желчнокаменной болезни" получено авторское свидетельство на изобретение N 1714505 М. кл. G01 /33/52 ОТ 15.04.96.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания оригинальной методики КВЧ-диэлект-рометрии целостных биообъектов, изложения результатов исследования диэлектрических характеристик различных биологических тканей в системах in vivo и биологических жидкостей в системах in vitro и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, включая 12 таблиц и 7 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1. Современное состояние диэлектрометрии биологических тканей в области микроволн и методы диэлектрической спектроскопии .

Глава посвящена рассмотрению диэлектрических параметров биологических тканей в норме и патологии: экспериментальной и клинической. Рассмотрены изменения диэлектрических параметров в широком частотном диапазоне: от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Приведены краткий обвор и характеристика современных методов микроволновой диэлектрометрии, показана ограниченная возможность их применения к измерениям in vivo в диапазоне миллиметровых радиоволн. Изложены теоретические основы комбинации волноводного и квазиоптического методов для определения диэлектрических характеристик тканей in vivo на основе измерения комплексного коэффициента отражения волноводных воли от иссле-

дуемого субстрата.

Глава 2 . Метод КВЧ-диэлектрометрии целостных биообъектов и биологических жидкостей посредством измерения комплексного коэффициента отражения волноводных волн.

Для определения комплексной диэлектрической проницаемости мы использовали модификацию волноводного метода, когда измеряется комплексный коэффициент отражения волноводной волны на границе раздела сред: заполненный твердым диэлектриком терминальный конец открытого волновода - исследуемая среда, причем диэлектрическая вставка измерительного зонда исполнена в форме согласующего клина (рис. 1).

2) - отраженное излучение

Рис. 1. Ход отраженного излучения в волноводном измерительном зонде на границе наклонной плоскости диэлектрического клина.

Если использовать отражение на границе пустого волновода с единственной ТЕ01 волной и богатым водой материалом, то получается близкий к единице модуль коэффициента отражения. В этом случае существенные изменения диэлектрических параметров исследуемого материала приведут к малым изменениям модуля и фазы комплексного коэффициента отражения. Бри согласовании диэлектрических характеристик заполнения волновода и исследуемой среды точность измерения существенно повышается. Однако диэлектричес-

кое заполнение приводит к многомодовому характеру волноводного излучения и невозможности расчета диэлектрических характеристик по параметрам отраженного немонохроматичного сигнала. Нами предлагается методика, позволяющая выделить одну моду отраженного излучения вследствие жестких требований к конфигурации клина.

Применение коаксиальных линий и зондов, в которых существует единственная чисто поперечная волна типа ТЕМ, при частотах свыше 10 ГГц весьма затруднительно вследствие сильного затухания миллиметрового излучения (примерно в "е" раз уменьшается амплитуда кабельной волны на расстоянии порядка длины волны).

Измерение комплексного коэффициента отражения осуществлялось с помощью устройства, блок-схема которого приведена на рис. 2. Эта установка с условным названием "КБЧ-дизлектрометр" изготовлена по Договору БФ/94-02-14/94 от 05.03.94 г. между ИПТ "Нейроком" и НПТ "Пеглаком".

Сигнал КВЧ-генератора через вентиль и аттенюатор поступал на разветвитель, где далее делился на опорный и зондирующий. Зондирующий сигнал через модулятор 1 и циркулятор поступал на вход облучателя, представлявшего собой открытый конец прямоугольного волновода, заполненный диэлектриком, обеспечивающим достаточно малый коэффициент отражения от биологической ткани (хорошее согласование) в диапазоне > 10 ГГц.

В КВЧ-диапазоне таким требованиям отвечает корунд (лейко-сапфир - А1г0з) с диэлектрической проницаемостью порядка 10 и малым тангенсом диэлектрических потерь.

Отраженный сигнал через излучатель, циркулятор и сумматор поступает на синхронный детектор. Опорный сигнал через модулятор 2, идентичный модулятору 1, поступает на сумматор и далее на синхронный детектор. Модуляторы могут быть попеременно открыты, либо одновременно открыты и закрыты. На синхронном детекторе происходит выделение сигналов, пропорциональных мощности отраженного, опорного и суммарного сигналов. С выхода синхронного детектора после усилителя постоянного тока на плату интерфейса поступает три сигнала:

и! = кРю|Г|2 и2 = кР20

и3 = к(Рю|Г|2 + Рго + 2(Р1Р-го)1/2 соэСГ - Г0))

где Рю - мощность зондирующего сигнала, Г - модуль коэффициента отражения, Р^ - мощность отраженного сигнала, Рго -мощность опорного сигнала, Г - фаза отраженного сигнала, Го -приборная константа, к - коэффициент пропорциональности.

Нами использовался прямоугольный волноводный излучатель и комплексный коэффициент отражения определялся на границе: заполненный диэлектриком открытый конец регулярного волновода -исследуемая среда в приближении полубесконечного однородного слоя. Вследствие сильного поглощения миллиметрового излучения биологическими средами (толщина слоя поглощения кожи 0,4 мм) допущение однородности биосубстрата представлялось с известной условностью достаточно корректным. Комплексный коэффициент отражения электромагнитной волны связан с комплексной дизлектри-' ческой проницаемостью среды формулами Френеля. Однако в заполненном диэлектриком (г > 2) волноводе, в отличие от пустого, не обеспечен одномодовый режим и в нем существуют несколько собственных волноводных волн с различными фазовыми скоростями. Используемый в установке генератор миллиметрового излучения, работающий на диоде Ганна, имеет сильные нелинейные искажения и излучает на высших (кратных) гармониках. При переходе отраженного излучения из области волновода, заполненного диэлектриком, в пустой участок высшие моды не исчезают, а становятся затухающими для основной гармоники и остаются распространяющимися для гармоник с кратными частотами. Электромагнитное поле в волноводе имеет характер распространяющейся волны, когда

г = (к2 - (гатг/а)2 - (шс/Ь)2)0-5

будет действительным числом, где к2 = <о2£(1 - квадрат волнового числа, а,Ь - длина и ширина поперечного сечения волновода, ш и п - целые числа. При значении г чисто мнимом волны существуют в виде местных.Т.о. многомодовый и многочастотный режим излучения не позволяет корректно измерить комплексный коэффициент отражения, который суть отношение комплексных амплитуд отраженной и

Генератор

Плата интерфейса

Вентиль, аттенюатор

1 ! Компьютер 1 Цифровой вольтметр

ч 1

Усилитель постоянного тока

Разделитель мощности

Синхронный детектор

Модулятор!

Модулятора

Усилитель частоты модуляции

Циркулятор

Сумматор

волноводныи излучатель

Квадратичный детектор

со I

Рис.

БЛОК-СХЕМА УСТАНОВКИ

«о.

падающей водны.

Для обеспечения согласования диэлектрическое заполнение измерительного зонда в терминальном участке сделано в виде клина. Причем наклонная плоскость клина проходит под таким углом к продольной оси волновода, что все распространяющиеся моды, кроме одной, испытывают полное внутреннее отражение на границе "диэлектрический клин - полость волновода" и не попадают на детектор. Волноводные волны представлены, согласно концепции Бриллюэна, в виде суперпозиции плоских, распространяющихся под углом к продольной оси волновода. Угол между волновым вектором к плоской волны и поперечным сечением волновода л, где sin а = r/k. Качественная картина хода отраженного излучения в волно-водном зонде показана на рис. 1.

Далее с помощью КВЧ-диэлектрометра, обеспечивающего модуляционный способ излучения, поочередно регистрировались на детекторе интенсивность отраженного, опорного и суммарного сигналов, на основании которых по оригинальной программе рассчитывался модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения. При наличии эталонного материала с известными диэлектрическими параметрами по формулам Френеля возможно определение компонент комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого объекта.

Расчет параметров используемого в работе излучателя позволяет заключить, что из всех отраженных волн через границу сред "корундовый клин - полость волновода" проходит только TEoi волна второй гармоники. При определении диэлектрических характеристик пробы дистиллированной воды объемом 1 мл. для температуры 25 °С значения действительной и мнимой компонент составили е' = 11,8 и е" = 22,0, что менее, чем на 5% отличается от справочных данных при частоте 60 ГГц (Ахадов Я.Ю., 1972). Основная частота генератора установки - 31 ГГц, частота второй гармоники - 62. Т.о. параметры излучателя позволили с хорошей точностью определить диэлектрические характеристики эталонного материала на частоте второй гармоники и методику можно было считать достаточно корректной.

Глава 3. Диэлектрические характеристики кожи при моделировании различной патологии и в норме. Доступность и неинвазив-ность измерений кожи с одной стороны и простота моделирования

гипоксии и некробиоза на коже аутогрансплантатов с другой обусловили выбор объекта исследования. Обширная проблема изучения репаративного гистогенеза сужена в настоящем исследовании до определения и прогноза жизнеспособности ткани кожных аутотранс-плангатов.

В работе предложен способ формирования плоских лоскутов на питающей ножке с детерминированным процентом некроза по площади. Формирование плоского осевого кожного лоскута проводили при отношении ширины к длине как 1:3. Исполнение экспериментальной модели заключалось в следующем: по изготовленому трафарету производили разметку на депилированной коже животного (ширина лоскута 1 см, длина - 3 см), формирование лоскута, его ротация на 60° и фиксация на донорском месте 10-12 швами полиамидной нити. Бри таких условиях дисгальная половина лоскута в контроле всегда отмирает, а проксимальная приживает. Далее был определен комплексный коэффициент отражения лоскутов кожи 1п vivo на частоте 62 ГГц в зависимости от сроков после операции и применеия биорегулирующей тканевой терапии (олифена, трентала, цитохрома С). Наряду с диэлектрометрией определялась активность щелочных протеаз и оценивалась гистоструктура тканей.

Поскольку диэлектрические характеристики кожи различных особей весьма вариабельны, для клинической практики ориентироваться на абсолютные значения компонент комплексной диэлектрической проницаемости нецелесообразно. Гораздо эффективнее оценивать состояние тканей в сравнении с заведомо интактным участком той же особи, ограничиваясь модулем и фазой комплексного коэффициента отражения. Значения отношения фазы комплексного коэффициента отражения на дистапьном и проксимальном участках, активности щелочных протеаз, степени некротических изменений соединительной ткани дистальной части аутотрансплантатов в зависимости от сроков после операции в контрольной серии представлены на рис.3. В погрешности указана средняя квадратическая ошибка.

У.Б.

1.5 1.2 0.9 0.6 0.3

□

++ + + +

* * -к тк *

-In

* о

_I—

- значение соотношения фазы ККО *** - некроз +++ - щелочные протеазы

+ ооо - волокнистые структуры +

* + г!-

* О О 0+

оооооооо *

О г!—I

г1-

п

о о +

о

+ о +

0-е 1-е

3-е 5-е

7-е

14-е 19-е сутки

+

+

*

Рис.3. Динамика фазы комплексного коэффициента отражения биохимических и гистологических показателей ткани аутотранс-плантатов кожи животных контрольной серюцл=м).

У.Б. - условные баллы по левой стороне оси ординат. В условных баллах выражены объем некротического детрита, активность прогеаз и рост соединительной ткани (волокнистые структуры).Активность ферментов в баллах представлена исходя из того, что 20 МЕ (международных единиц активности) соответствовали 1 баллу. По правой стороне оси ординат - отношение фазы комплексного коэффициента отражения на дистальной и проксимальной половинах лоскута.

Значения отношения фазы комплексного коэффициента отражения, активности щелочных протеаз, степени некротических изменений соединительной ткани дистальной части аутотрансплантатов в зависимости от сроков после операции в серии животных, получавших олифен (антигипоксант), представлены на рис.4.

У.Б.

4. 3. 2.

1.5 1.2

0.9 0.6 0.3

rl-

CH 00

++ о

Ус Ус * Ус

roll

++

о

о о 0 0 + ++

4+

+++

г+1-t

Ус Ус

Ус Ус

I—f+ +

rl—

0 0 0 0 0 0 + + + + + +

Ус Ус Ус Ус Ус Ус

о-е

1-е

3-й

5-е

7-е 14-е 19-е сутки

Рис.4. Динамика фазы комплексного коэффициента отражения, биохимических и гистологических показателей ткани аутотранс-плантатов кожи животных, получавших олифен (1 мг/кг массы) (п=/о).

В контрольной серии дистальная половина лоскута некротизи-ровалась к 4-5 суткам после операции. Тем не менее, как видно из графиков, биохимические и морфологические признаки некробиоза не развиваются в первые сутки после операции и не дают оснований для прогноза преобладания репаративных или некробиотичес-ких тенденций. Однако фаза комплексного коэффициента отражения от дистаяьной части лоскута снижается уже в первые сутки после операции.

Животные, получавшие олифен (парентерально), имели хорошие результаты пластики, т.к. весь лоскут оставался жизнеспособным. Эффективность трентала (ингибитор фосфодиэстеразы) и цитохрома "С" (фермент тканевого дыхания) не столь высока, дистаньная часть лоскута подвергается поверхностному некрозу, однако это более благоприятный исход, чем полный некроз на всю толщину кожи (как в контроле) и развитие рубца.

Глава 4.__Диэлектрические свойства фракций крови при различных гемокорригирующих операциях, в норме и патологии.

Целью дальнейшего исследования являлось изучение диэлектрических параметров важнейшей жидкой среды организма - крови.

Предполагается, что различные функциональные состояния крови зависят от состояния гидратных оболочек клеточных элементов и макромолекул, что найдет отражение в значениях компонент комплексной диэлектрической проницаемости. В качестве модели патологического состояния крови был выбран эндотоксикоз.

Эндотоксикоэ моделировался странгуляционной кишечной непроходимостью у б собак спустя 2 часа после наложения странгуляционной петли на гонкую кишку. Кровь забиралась из вены ущемленной петли, центрифугировалась в течение 15 минут при 3 тыс. об/мин., после чего забирались образцы плазмы и эритроцитарной массы. Диэлектромегрия фракций крови предпочтительнее, поскольку цельная кровь вариабельна по гематокриту, что затруднило бы интерпретацию результатов диэлектрометрии. Результаты комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 62 ГГц и при температуре 25 °С приведены в таблице 1.

Таблица 1. Комплексная диэлектрическая проницаемость эритроцитарной массы и плазмы крови ингактных животных и животных с экспериментальным эндотоксикозом. В погрешности указана одна квадратическая ошибка.

Компонен- Плазма Плазма Эритроцитар- Зритроцитар-

ты комп- ингактных животных с яая масса ная масса

лексной животных эндотокси- интактных животных с

диэлект- козом животных эндотокси-

рической козом

проница-

емости

11,2 + 0,1 11,0 + 0,1 7,3 + 0,1 7,1 + 0,1

19,5 + 0,2 19,3 ± 0,2 13,0 + 0,Iм 12,4 + 0,1*

* - различия достоверны с вероятностью р < 0,05.

Далее изучалось изменение электрических характеристик фракций крови до и после различных физических воздействий, моделирующих in vitro эффекты операций экстракорпоральной гемокоррек-ции: плазмафереза и отмывания эритроцитарной массы изотоническим раствором хлорида натрия (цитаферез), а также замораживания фракций крови. Достоверность различий до и после воздействия оценивали по критерию Вилкоксона-Манна-Уитни. В ходе исследований были установлены следующие закономерности, представленные в таблице 2.

Таблица 2. Значения комплексной диэлектрической проницаемости фракций крови до и после замораживания, плазмафереза, отмывания эритроцитов, измеренной на частоте 62 ГГц и при температуре 28 °С.

Комплекс- Плазма Эритроцитарная масса

ная диэ-

лектри- До После До После

ческая проницаемость £*=£'-!£"

1 2 3 4 5

замораживание при -10 С в течение 3 часов

11,8 + 0,1 11,8 ± 0,1 7,5 + 0,1" 8,5 + 0,1*

20,1 + 0,2 20,2 + 0,2 13,8 ± 0,2м 19,0 ± 0,2*

гравитационный плазмаферез

£' 11,8 + 0,1 11,9 ± 0,1 7,4 ± 0,1 7,5 0,1

20,1 ± 0,2* 20,9 ± 0,2* 13,9 ± 0,2* 14,5 ± 0,1*

отмывание эритроцитарной массы

е' - 7,5 + 0,1 7,6 ± 0,1

е" - - 13,8 ± 0,2 13,4 ± 0,2*

* - различия достоверны (Р < 0,05)

- электрические параметры плазмы в микроволновом диапазоне не изменяются после замораживания;

- у гемолизированных вследствие замораживания эритроцитов возрастаем мнимая компонента (£");

- после плазмафереза крови человека возрастает в" как плазмы, так и эритроцитарной массы;

- отмывание эритроцитарной массы физраствором приводит к уменьшению значений е ".

При интерпретации полученных результатов мы считали, что взаимодействие КВЧ-излучения с фракциями крови происходит главным образом вследствие взаимодействия с молекулами воды (Кузнецов A.M., . 1994). При такой интерпретации изменения мнимой компоненты в'' находят хорошее объяснение в динамике уровня гидратации и соотношения свободной и связанной воды.

Увеличение мнимой компоненты (г") у эритроцитарной массы после плазмафереза соответствует повышению содержания свободной воды. Наиболее вероятно, что это происходит из-за частичного разведения крови и удаления части белка и молекул средней массы из состава циркулирующей плазмы, а в эритроцитарной массе присутствует некоторая доля (около 20%) остаточной плазмы.

Наибольший интерес представляет снижение е" при отмывании эритроцитарной массы изотоническим раствором хлорида натрия. Согласно представлениям о ведущей роли воды в поглощении миллиметрового радиоизлучения, такая динамика е" соответствует повышению связанной воды. Вероятно, при отмывании эритроцитов в изотоническом растворе освобождаются мембранные рецепторы от сорбированных на них молекул. Соответственно свободными рецепторами гликокаликса связывается вода в примембранном слое.

Глава 5. Диэлектрические свойства пузырной желчи в норме и при желчнокаменной болезни (ЖКВ). Возможности КВЧ дизлектромет-рии в диагностике ранних форм ЖКБ на физико-химической стадии.

Пузырная желчь, полученная при дуоденальном зондировании, в количестве 1-Е мл бралась для исследования. Комплексная диэлектрическая проницаемость определялась на частоте 62 ГГц при температуре 25 °С.

В результате определения микроволновой комплексной диэлектрической проницаемости пузырной желчи обнаружена устойчивая связь между электрическими параметрами исследуемого материала и клинико-лабораторными характеристиками заболевания. Так, если у лиц с отсутствием заболеваний гепагобилиарной системы диэлектрическая проницаемость пузырной желчи имеет значения 9,8 + 0,2 и е"= 19,0 + 0,3, то у лиц с повышенным риском камнеобра-зования (т.н. "литогенная" желчь) она составляет е'= 9,6 ± 0,2 и е"= 18,0 ± 0,3; у больных ЖКБ с прогрессированием холелитиа-за (камнеобразования) е'= 9,5 ± 0,2 и е" = 17,3 ± 0,3; у больных ЖКБ без прогрессирования холелитиаза (т.н. камненосители) £'= 9,7 + 0,2 и £"= 18,9 ± 0,3. Результаты указаны с доверительной вероятностью р < 0,05.

Группы больных выделялись в ходе комплексного динамического обследования, включающего клинические, лабораторные (определение холестерина, кальция, бшшрубината кальция в желчи) и ультразвуковой методы исследования. Результаты комплексного обследования представлены в таблице 3.

Очевидно, определение комплексной диэлектрической проницаемости позволяет установить ранние нарушения коллоидного состояния пузырной желчи, что может быть использовано в диагностике физико-химической стадии ЖКБ, а также прогнозировать дальнейший рост камней в желчном пузыре при их обнаружении. Различные значения КВЧ-электрических параметров желчи нами интерпретировались различиями ее коллоидного состояния, о коллоидном равновесии желчи делается вывод не на основании идентификации тех или иных веществ, а по диэлектрическим характеристикам, которые в свою очередь определяются соотношением свободной и сольватиро-ванной воды жидких биологических сред (в области миллиметровых радиоволн).

Рост связанной воды свидетельствует о неустойчивом колло-

идном состоянии - готовности выпасть в осадок перенасыщенных ингредиентов. Неустойчивое коллоидное состояние желчи объясняется не просто высоким содержанием, например, холестерина (в случае холестериновых камней), а характером взаимодействия холестерина, солюбилизаторов (желчных кислот и лецитина) с водой.

Таблица 3. Результаты комплексного обследования 46 человек, включающее общеклиническую оценку физикального состояния, данные биохимического исследования общего холестерина и микроскопию осадка пузырной желчи, а также значения мнимой компоненты комплексной диэлектрической проницаемости пузырной желчи сразу после ее забора.

Обследуемая группа Количество Микроскопия осадка желчи Холестерин пузырной желчи р < 0,05 Е" пузырной желчи р < 0,01

Здоровые 12 - 1,65 ± 0,36 19,0 + 0,2

Группа риска по ЖКБ 18 Билирубинат кальция, кристаллы холестерина в значит. кол.-ве. 2,48 + 0,53 18,0 + 0,3

Больные ЖКБ с прогрессиро-ванием холе-литиаза 10 Билирубинат кальция, кристаллы холестерина в значит. кол.-ве. 2,53 + 1,28 17,3 ± 0,3

Больные ЖКБ с отсутствием тенденции к прогрессиро-ванию заболевания 6 Билирубинат кальция, кристаллы холестерина в значит. кол.-ве. 1,84 ± 0,41 18,9 + 0,2

Заключение.

Предложена модификация волноводного метода диэлектрометрии в диапазоне миллиметровых радиоволн, не предъявляющая строгих требований к форме и размерам образца, Путем измерения комплексного коэффициента отражения волноводных волн от материалов биологического происхождения изучены диэлектрические характеристики исследуемых объектов.

Подобраны биологические модели различных морфо-функцио-нальных состояний нативных мягких тканей и биологических жидкостей, соответствующие ряду неспецифических патологических процессов.

Выявлены устойчивые закономерности соответствия мор-фо-функционального состояния кожи, фракций крови, пузырной желчи диэлектрическим параметрам названных объектов в КВЧ диапазоне. Полученные закономерности позволяют успешно прогнозировать и диагностировать развитие некробиоза и ишемии кожи; эндотокси-коза, холелитиаза.

Значения компонент комплексной диэлектрической проницаемости биооБъектов соответствуют количественным и качественным параметрам гидратации. КВЧ диэлектрометрия позволяет изучать патогенез типовых патологических процессов в той степени, в которой он обусловлен нарушениями водного обмена.

Дели и задачи исследования выполнены полностью.

По результатам исследования оформлены две заявки на изобретения и получены положительные решения на выдачу патентов и авторские свидетельства.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований показана возможность использования КВЧ-диэлектрометрии биообъектов для диагностики некоторых морфо-функциональных патологических состояний. Необходимым условием при этом является достаточно высокая точность и воспроизводимость результатов.

2. Разработана и реализована оригинальная методика определения комплексной диэлектрической проницаемости биообъектов посредством выделения одномодовой и одночастотной отраженной волны и измерения ее комплексного коэффициента отражения от

исследуемого субстрата, обеспечивающая на практике достаточно высокую относительную точность и воспроизводимость результатов.

3. На избранных моделях патологических состояний (некроз эндотоксикоз, холелитиаз) показана высокая степень корреляции между состоянием объекта и значением компонент комплексной диэлектрической проницаемости.

4. Преобладание некробиотических либо репаративных процессов в тканях трансплантатов находятся в сильной корреляционной связи со значением фазы комплексного коэффициента отражения КВЧ-излучения. Развитие эндотоксикоза сопровождается снижением мнимой компоненты (е") суспензии эритроцитов. Нарушения коллоидного равновесия пузырной желчи сопровождаются снижением как £' так и в еще большей степени г".

5. Показано, что изменения комплексного коэффициента отражения КВЧ-излучения кожи трансплантатов обусловлены объемом микроциркуляции и глубиной активного капиллярного кровотока. Микроволновая комплексная диэлектрическая проницаемость биологических жидкостей, главным образом определяющаяся соотношением свободной и связанной воды и общим водосодержанием, существенно отражается на коллоидном равновесии дисперсных систем, в том числе биологического происхождения.

6. Проведенные исследования показывают, что измерение комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне миллиметровых радиоволн может служить эффективным методом исследования состояния воды в организме и его изменения в различных условиях.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. БалинВ.Н., Черняков Г.М., Шамолина И.И., Турковский И.И., Мадай Д.Ю. Новые возможности оценки жизнеспособности лоскутов на питающей ножке // Проблемы микрохирургии: Тезисы V Международного симпозиума по пластической и реконструктивной микрохирургии. - Москва, 1994. -124 с.

2. Балин В.Н., Черняков Г.М. , Мадай Д.Ю., Турковский И.И. Биофизические критерии репаративного гистогенеза кожи // Гистогенез и регенерация тканей: Тезисы работ - С-Петербург, 1995. -

о.

•2. Таран A.B.. Балин E.H., Черняков Г.М.. Турковский Л.И. , Мадай Д.Ю. Комплекс- для исследования диэлектрических свойств ■ ёиологичеоких тканей // Усовершенствование методов и аппаратуры. применяемых в учебном процессе. медико-биологических исследованиях и клинической практике: Сборник изобретений и рациона. лягагорскик предложений. - Выпуск £5. - С-Петербург, 1934. -о. 88

4. Мадам Д.Ю., БалянБ.К., Черняков Г.М., Турковский И.П. Возможности прижизненной дизлектрометрш для определения жизнеспособности и контроля эффективности Сиорегулирующей терапии аутотраноплантатов /7 Новые технологии s стоматологии и челюот-но-лицевой хирургии: - С-Петербург, 1996. - Был. 1 - с.14-10.

5. Кузнецов А.К.. Гордиенко A.B., Турковский К.И., Чаплюк А.Л. Оценка диагностической значимости определения комплексной диэлектрической проницаемости пузырной желчи б микроволновом диапазоне /7 Новые направления в гепатологии: Фальк-симпозиум N92. Tes. докладов, 1SSQ, о. 210.

5. Гордиенко A.B., Кузнецов А.К., Турковский И.И., Чаллюк А.Л., Куприянов А.К. Диагностика ранних нарушений коллоидного состояния пузырной желчи //Актуальные вопросы клиники, диагностики и лечения. Тезисы докладов - С-Петербург, 1S37. -о.150-151.

7. Новицкий Е.А., Гордиенко А.Б.. Чаллюк А.Л., Турковский 'К.И. Радиоспектроокопическая диэлектроыетрия в ранней диагностике желчнокаменной болезни // Российский журнал Гастроэнтерологии, Гепатологии, Колопроктологии, 1937, Том 7, Бып. 2, с.84.

S. Способ определения жизнеспособности тканей биологических объектов п устройство для его осуществления // A.C. К 133091D М. кл. AGI В5/00 от 30.03.95. (Соавт. Черняков Г.М., Кузнецов А.К.. Мадай Д.Ю., Балин Б.К.).

9. Способ диагностики стадии желчнокаменной болезни // A.C. N1714505 М. кл. G01 /33/52 от 15.04.95. (Соавт. Черняков T.'îviTT" Новицкий В. А.. Гордиенко A.B., Чаплюк А. Л. ).