CC BY
126
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
А.В.Костров1 , А.В.Стриковский1, Д.В.Янин1, А.И.Смирнов1, В.Е.Загайнов2, С.А.Васенин2, И.Н.Дружкова2, Г.А.Пантелеева3, З.В.Давоян3. 1 Институт прикладной физики РАН, dYanin@appl.sci-nnov.ru 2 Поволжский окружной медицинский центр Росздрава ФГУ, zagainov@gmail.com 3ФГУ Нижегородский Научно-исследовательский кожно-венерологический институт Росздрава
Разработаны резонансные датчики для неинвазивной экспресс диагностики биологических тканей. В основе работы датчиков лежит метод ближнепольного СВЧ-зондирования. Состояние ткани оценивается по ее электродинамическим параметрам (диэлектрической проницаемости и проводимости).
Изучены возможности (чувствительность, разрешающая способность и т.д.) измерительных систем применительно к исследованию кожи, проведения дифференциальной диагностики различных дерматозов, а так же, для исследования процессов тканевой ишемии и оценки жизнеспособности органов при консервации с целью дальнейшей трансплантации.
Патологические и физиологические процессы в живых тканях, как правило, сопровождаются изменением их электродинамических параметров, поэтому, исследование диэлектрической проницаемости и проводимости биообъектов представляет значительный интерес в разнообразных медицинских приложениях.
В дерматологии актуальна диагностика кожных патологий без использования гистоморфологического метода. Взятие образца ткани (биопсия) относится к разряду "малых" операций и часто бывает нежелательно у пациентов с нарушением углеводного обмена, сосудистой патологией, при расположении высыпаний на открытых участках (лицо, шея, кисти).
В хирургии актуальна оценка жизнеспособности органов не только in vivo, при острой патологии, но и при консервации органов с целью дальнейшей их трансплантации. Процессы тканевой ишемии и реперфузионные осложнения являются результатом нарушения тонких клеточных механизмов, диагностика которых невозможна с использованием известных диагностических методов (рентген, ультразвук). Распознавание этих процессов производится только путем биопсии с последующим оптическим или электронным микроскопированием, что занимает много времени, которым не располагает клиницист.
Целью настоящего исследования является изучение возможностей метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к оценке жизнеспособности паренхиматозных органов при критических состояниях, определению патологических процессов в тканях паренхимы, а так же для дифференциальной диагностики различных дерматозов и контролю за эффективностью проводимой терапии.
Метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования можно пояснить следующим образом. Область среды, находящаяся в ближнем поле зондирующей электрически малой антенны, оказывает влияние на ее импеданс. Это свойство позволяет реализовать высокое пространственное разрешение. Если антенна включена в качестве нагрузки в резонансную систему, то по смещению резонансной частоты и изменению добротности, можно судить об электромагнитных параметрах среды вблизи антенны и по ним оценивать состояние обследуемого объекта.
Были разработаны и изготовлены диагностические зонды для пассивных измерений электродинамических свойств тканей паренхиматозных органов и датчики для исследования кожи дерматологических больных. В качестве резонансной системы используется высокодобротный СВЧ резонатор на отрезке
коаксиальной линии. Собственные частоты датчиков — 0 ~ 2п- 800Мгц, добротность Q0 —150. Пространственное разрешение и чувствительность определяются конструкцией и размерами электрически малой антенны.
Если Zco6cme - собственный импеданс антенны, Zcpeda - импеданс при контакте
со средой, и Zcpeda<<p (р - волновое сопротивление коаксиального резонатора), следуя [1], можно получить уравнение резонансной кривой Ures(—) датчика
(
(
16Q
со-с
1
К —
+—Im (8Z) пр
V г
У
4 Q0
чЛ -
1 + - (8Z) к п Р ,
Ures (— = U
SZ„ = Z„„*„„.„ - Z„„„Aп, U0 - амплитуда сигнала в максимуме резонансной кривой.
Из уравнения игев (®) легко получить связь между резонансными
характеристиками датчика и импедансными свойствами электрически малой антенны
—res -С0 =-~ — Im (5ZX )
п р
max (Ures ) = U0 (1 + -QPRe(SZX) К п Р ,
На базе научно-исследовательского института кожно-венерологических заболеваний (г. Нижний Новгород) были проведены исследования электродинамических характеристик кожи 32 больных псориазом, 10 -атопическим дерматитом, 13 - красным плоским лишаем (КПЛ).
Рис. 1. Диэлектрическая проницаемость кожи в области локализованного патологического участка. Заболевания в стадии обострения. Диаметром очага 1см, координата 2 отсчитывается относительно
центра поражённого участка.
■1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -1-5 -1 -0.5 0.5 1 1.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Z (см) Цсм) Z (см)
Рис. 2. Проводимость кожи в области локализованного патологического участка. Заболевания в стадии обострения. Диаметром очага 1см, координата 2 отсчитывается относительно
центра поражённого участка.
Установлено, что диэлектрическая проницаемость и проводимость кожи у дерматологических больных (псориаз, атопический дерматит, красный плоский
лишай) ниже, чем у здоровой кожи. Исследования больных проводились до лечения, в процессе и по окончании терапии. По мере выздоровления диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей в области очагов поражений у всех трёх групп больных приближалась к показаниям здоровой кожи.
В стадии обострения, различия между здоровой и больной кожей были более выражены при псориазе. В стадии регресса диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей в области псориатических очагов была аналогичной с а и а тканей при атопическом дерматите. Таким образом, диагностическая значимость метода в случае псориаза и атопического дерматита имеет место лишь при активности заболевания (рис. 1-2).
При исследовании электродинамических характеристик кожи больных красным плоским лишаем установлено, что при совпадении диэлектрической проницаемости тканей при псориазе и КПЛ, проводимость кожи у этих пациентов отличалась в 2 раза. Это позволяет сделать вывод о возможности проведения диагностики при псориазе и КПЛ на любых стадиях заболевания (рис. 1-2).
Проведена работа по дифференциальной диагностике патологических процессов в паренхиматозных органах. Показана чувствительность измерительных систем к физиологическим и патологическим свойствам тканей. Продемонстрирована возможность определения опухолевых очагов в органе и границы их роста. При исследовании удаленного материала (рис. 3) подтверждалась точность и чувствительность измерительного комплекса. На рис. 4 хорошо видна разница в показаниях датчика при измерении различных типов тканей.
Рис 3. Исследуемый объект (почка). Рис 4. Сдвиг резонансной частоты датчика в
Кругами обозначены области измерения зависимости от свойств исследуемой ткани.
Стоит отметить, что ближнепольные системы обладают чувствительностью к любым, даже незначительным изменениям кровотока в тканях, богатых кровеносными сосудами.
Выполнены измерения электродинамических характеристик паренхимы почек в условиях тепловой и холодовой ишемии в динамике по времени. Исследования проводились на лабораторных животных (кроликах). Полностью имитировался процесс мультиорганного забора для трансплантации. Через аорту и соответствующие артерии почки промывались охлаждённым раствором кустодиола (консерванта) до полного вымывания крови из органа. На рис. 5 представлены результаты измерений резонансной частоты датчика (диэлектрической проницаемости) от времени. Исходя из результатов, можно отметить разницу между холодовой и тепловой ишемией органов; изменение частоты сигнала находится в прямой зависимости от скорости течения процесса ишемического повреждения.
Кроме зонда, контактирующего с исследуемой тканью, на базе резонансного контактного датчика, был изготовлен и опробован датчик, реагирующий на малые добавки, появляющиеся при распаде клетки в консервирующей жидкости, промывающей орган, подготовленный к трансплантации, находящийся в критическом состоянии. Через определенные промежутки времени, производился забор образца консерванта. Полученный результат однозначно демонстрирует связь электродинамических характеристик кустодиола, изменяющихся в течении эксперимента, при накоплении в нем продуктов распада клеток (рис. 6). Имея набор калибровочных кривых, возможно осуществлять экспресс диагностику жизнеспособности органа, подготовленного к трансплантации за несколько секунд.
При сравнении измерений электродинамических параметров паренхимы и консервирующей жидкости видно, что появление продуктов распада в кустодиоле несколько "запаздывает", что согласуется с последними публикациями о результатах маргинальных (трупных) трансплантаций почек [2].
Рис. 5. Изменение резонансной частоты датчика от времени при контакте с паренхимой почки (а) холодовая ишемия, (б) тепловая ишемия
Рис. 6. Изменение амплитуды сигнала датчика на резонансной частоте от времени прокачки. Исследуемая жидкость - "Кустодиол". (Тепловая ишемия)
Таким образом, впервые использованная в дерматологии резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика показала диагностическую и прогностическую ценность при изученных дерматозах. Так же, результаты, полученные с помощью ближнепольной СВЧ диагностики по оценке жизнеспособности трансплантируемого органа, однозначно фиксируют временную динамику распада ткани этого органа. Для количественной экспресс оценки жизнеспособности органа, подготовленного к трансплантации, требуются дальнейшие исследования.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 08-02-97024-р_поволжье_а .
1. Костров А.В., Костров В.А., Смирнов А.И., Янин Д.В., Стриковский А.В., Пантелеева Г.А. Диагностика неоднородных и нестационарных сред с помощью резонансного СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной линии: Препринт ИПФ РАН №707. Н. Новгород, 2006. 24 с.
2. М.М.Каабак, В.А.Сандиков и др. Отдалённые результаты трансплантаций трупной почки в ГУ РНЦХ им. Ак. Б.В. Петровского РАМН. Материалы конференции: Клиническая трансплантация органов. Москва, 26-27 сентября 2007 г.
