CC BY
35
Journal of Stress Physiology & Biochemistry, Vol. 15, No. 1, 2019, pp. 41-45 ISSN 1997-0838 Original Text Copyright © 2018 by Martusevich, Petrov, Galka and Golygina
ORIGINAL ARTICLE
The Study of Dielectric Properties of Biological Tissue under Thermal Modification in vitro
Andrew K. Martusevich 1, Sergey V. Petrov 2, Alexander G. Galka 13,
Elena S. Golygina 1
1 Laboratory of medical biophysics, Privolzhsky Research Medical University; 603155, Russia, Nizhny Novgorod, Minin sq., 10/1
2 Department of hand microsurgery, Privolzhsky Research Medical University; 603155, Russia, Nizhny Novgorod, Minin sq., 10/1
3 Laboratory of space plasma modeling, Institute of Applied Physics; 610027, Russia, 603950, Nizhny Novgorod, Ulyanov st., 46
*E-Mail: crvst-mart@yandex.ru
Received February 27, 2019
The aim of this paper is to study the dynamics of the dielectric properties of the tissue in the experimental controlled thermal modification.
Material and methods: the experiment was performed on equal in volume and mass samples of intraoperatively removed tissue of Palmar aponeurosis (n=8). The thermal effect was simulated by placing tissue fragments in a thermostat (processing time - 5 min., temperature -60 C). Duration of exposure after thermal modification was 5 min. Dielectric properties of tissues was determined using an original hardware-software complex for near-field resonant microwave sensing.
Results: the study made it possible to verify the shifts in dielectric properties of the tissue that occur under short-term exposure to high temperature in vitro. It is shown that the dielectric permeability and conductivity of the biological object are significantly reduced under the influence of this factor, which is primarily due to a decrease of its hydration degree.
Key words: Palmar aponeurosis, thermal modification, near-field resonance microwave sensing/ dielectric permittivity, thermal stress
В настоящее время существует широкий ассортимент технологий медицинской визуализации, к числу наиболее современные среди которых следует отнести ультразвуковое исследование, компьютерную и магнитно-резонансную томографию (Гладкова, Сергеев, 2007). С другой стороны, не все типы тканей могут быть эффективно и с достаточно высоким разрешением визуализированы (Турчин, 2016; Gaikovich, 2007). В полной мере это относится и к покровным тканям, в том числе - к коже и ближайшим подкожным слоям. Данный факт обуславливает необходимость дальнейшего поиска новых методов медицинской визуализации, основанных на других физических принципах, и их экспериментально-клинической апробации
(Гладкова, Сергеев, 2007; Турчин, 2016; Мартусевич с соавт., 2017).
В этом плане привлекают внимание возможности ближнепольного резонансного СВЧ-зондирования, позволяющего интегрально оценивать
диэлектрические свойства биологических объектов (Резник, Юрасова, 2004; Костров с соавт., 2005; Gaikovich, 2007). Эта технология, характеризующая как обобщенные параметры биологического образца, так и его глубинную структуру (Мартусевич с соавт., 2017, 2018), не имеет ограничений по морфологии анализируемых тканей (Костров с соавт., 2005; Tamura et al., 1994). Указанное обстоятельство позволяет изучать с его помощью любые живые ткани, осуществляя неинвазивную, неразрушающую диагностику их состояния (Semenov, 2009) и потенциально обладая способностью к проведению бесконтактного исследования (в том числе через физические преграды - например, повязки или раневые покрытия [Мартусевич с соавт., 2017; Sunaga et al., 2002]). В то же время возможности и диагностические перспективы ближнепольного СВЧ-зондирования в экспериментальной и клинической медицине изучены недостаточно полно (Мартусевич с соавт., 2017; Raicu et al., 2000), что обуславливает целесообразность проведение исследований в данном направлении.
Одной из потенциальных областей применения рассматриваемой диагностической технологии
может стать комбустиология, однако сейчас имеются лишь единичные подтверждения информативности метода в оценке состояния тканей в процессе воздействия высоких температур (Мартусевич с соавт., 2018; Schertlen et al., 2002). Следовательно, необходим углубленный анализ данного аспекта проблемы, в связи с чем целью исследования явилось изучение динамики диэлектрических свойств ткани при экспериментальной контролируемой термомодификации.
MATERIALS AND METHODS
Эксперимент выполнен на равных по объему и массе образцах интраоперационно удаленной ткани ладонного апоневроза (n=8). Термическое воздействие моделировали путем помещения фрагментов ткани в термостат (время обработки - 5 мин., температура - 600С). Продолжительность экспозиции после термомодификации составляла 5 мин.
Диэлектрические свойства тканей
(диэлектрическую проницаемость £ и проводимость о) определяли с использованием оригинального программно-аппаратного комплекса для ближнепольного резонансного СВЧ-зондирования, разработанного в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) [Костров с соавт., 2005].
Изучение указанных параметров проводили при глубине зондирования 5 мм., примерно сопоставимой с толщиной анализируемых образцов ткани. Исследование каждого фрагмента ткани осуществляли двухкратно - до и после термомодификации (по завершении периода экспозиции).
Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием программы Statistica 6.1 for Windows. Нормальность распределения значений параметров оценивали с использованием критерия Шапиро-Уилка. С учетом характера распределения признака для оценки статистической значимости различий применяли Н-критерий Краскала-Уоллеса. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в данном исследовании принимали равным 0,05.
RESULTS AND DISCUSSION
Установлено, что в результате термомодификации диэлектрические характеристики биоткани существенно трансформируются (рис. 1-2). Это обусловлено тем обстоятельством, что они в существенной степени зависят от содержания в изучаемом объекте воды (Naito S., Hoshi M., Mashimo
5., 1997; Hayashi Y., Miura N., Shinyashiki N., Yagihara
5., 2005), а при нагревании происходит существенное уменьшение гидратации тканей. Так, после дозированного высушивания наблюдали снижение диэлектрической проницаемости образцов в 2,48 раза (рис. 1; p<0,05 по сравнению с исходным уровнем показателя). Подобную динамику параметра регистрировали и в наших предшествующих исследованиях, включавших сравнительную оценку диэлектрических свойств кожи и подкожных структур у здоровых и имеющих
модельную термическую травмы крыс линии Вистар (Мартусевич А.К. с соавт., 2018). Это подтверждает диагностическую информативность анализа диэлектрической проницаемости тканей при воздействии высоких температур, в том числе - при термических ожогах.
Аналогичная, но менее выраженная тенденция была выявлена для проводимости образца ткани (рис. 2). Обнаружено, что после термомодификации имеет место уменьшение значения данного показателя на 25,3% относительно интактного состояния (p<0,05). Это свидетельствует о нарушении физиологической структуры ткани и косвенно указывает на метаболические сдвиги в ней, обуславливающие изменение ионного состава межклеточного вещества, его осмолярности и других физико-химических характеристик (Резник, Юрасова, 2004; Костров с соавт., 2005; Naito et al., 1997; Hayashi et al., 2005).
Figure 1. Изменение диэлектрической проницаемости ткани при термомодификации («*» - уровень статистической значимости различий с исходным состоянием p<0,05)
Figure 2. Изменение проводимости ткани при термомодификации («*» - уровень статистической значимости различий с исходным состоянием p<0,05)
CONCLUSION
В целом, данной экспериментальное исследование позволило верифицировать сдвиги диэлектрических свойств ткани, возникающие при кратковременном воздействии на нее высокой температуры в условиях in vitro. При этом показано, что под влиянием указанного фактора диэлектрическая проницаемость и проводимость биообъекта существенно снижаются, что в первую очередь связано со снижением степени его гидратации. В дальнейшем предполагается уточнить влияние режима термомодификации на характер изменения диэлектрических свойств биологической ткани.
ACKNOWLEDGMENT
Исследование частично поддержано грантом РФФИ №18-42-5200053 р_а.
REFERENCES
Гладкова Н.Д., Сергеев А.М. (2007) Руководство по оптической когерентной томографии. М.: Физматлит. 295 с.
Костров А.В., Смирнов А.И., Янин Д.В. с соавт. (2005) Резонансная ближнепольная СВЧ диагностика неоднородных сред. Известия РАН. Серия
физическая. 69(12). 1716-1720.
Мартусевич А.К., Краснова С.Ю., Галка А.Г., Перетягин П.В., Костров А.В. (2018) Ближнепольное резонансное СВЧ-зондирование как метод исследования глубинной структуры ожоговой раны в эксперименте. Современные технологии в медицине. 10(3). 109-113.
Мартусевич А.К., Янин Д.В., Богомолова Е.Б., Галка А.Г., Клеменова И.А., Костров А.В. (2017) Возможности и перспективы применения СВЧ-томографии в оценке состояния кожи. Биомедицинская радиоэлектроника. (12). С. 312.
Резник А.Н., Юрасова Н.В. (2004) Ближнепольная СВЧ томография биологических сред. Журнал технической физики. 74(4). 108-116.
Турчин И.В. (2016) Методы оптической биомедицинской визуализации: от субклеточных структур до тканей и органов. Успехи физических наук. 186(5). 550-567.
Gaikovich K.P. (2007) Subsurface near-field scanning tomography. Physical Review Letters. 98(18). 183902.
Hayashi Y., Miura N., Shinyashiki N., Yagihara S. (2005) Free water content and monitoring of healing processes of skin burns studied by microwave
dielectric spectroscopy in vivo. Phys. Med. Biol. 50(4). N8-N14.
Naito S., Hoshi M., Mashimo S. (1997) In vivo dielectric analysis of free water content of biomaterials by time domain reflectometry. Anal. Biochem. 251(2). 163-172.
Raicu V., Kitagawa N., Irimajiri A. (2000) A quantitative approach to the dielectric properties of the skin. Physics in Medicine and Biology. 45(2). L1-L4. Schertlen R., Pivit F., Wiesbeck W. (2002) Wound diagnostics with microwaves // Biomed. Tech. (Berlin). 47(suppl. 1, Pt. 2). 672-673.
Semenov S. (2009) Microwave tomography: Review of the progress towards clinical applications. Philos. Trans A Math Phys. Eng. Sci. 367(1900). 30213042.
Sunaga T., Ikehira H., Furukawa S. et al. (2002) Measurement of the electrical properties of human skin and the variation among subjects with certain skin conditions. Phys. Med. Biol. 47(1). N11-N15.
Tamura T., Tenhunen M., Lahtinen T. et al. (1994) Modelling of the dielectric properties of normal and irradiated skin. Phys. Med. Biol. 39(6). 927-936.
