CC BY
19МЕДИКО-БІОЛОГІЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ MEDICAL-BIOLOGICAL APPLICATION
Фізика живого, Т. 1б, No2, 2OO8. С.92-98.
© Орел В.Е., Ніколов М. О., Дзятковська Н.М., Романов А.В., Мельник Ю.Г.,
Дунаєвський В. І., Дзятковська 7.7.
УДК 616-OO6.O7
ВПЛИВ ЗМІНИ ПРОСТОРОВОЇ НЕОДНОРІДНОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ТРАНСФОРМАЦІЮ РАДІОХВИЛЬ ТА ТЕПЛОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАНТОМІВ І КАРЦИНОМИ ЛЕГЕНІ ЛЬЮЇС
Орел В.Е. 1, Ніколов М.О. 1, Дзятковська Н.М. 1, Романов А.В. 1,
Мельник Ю.Г.1, Дунаєвський В.І. 2, Дзятковська І.І.1
1ДУ «Національний інститут раку», лабораторія медичної фізики та біоінженерії, Київ, Україна
e-mail: [email protected]
2 Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
Надійшла до редакції 28.11.2008
Метою роботи було вивчення впливу зміни просторової неоднорідності електромагнітного поля (ЕМП) на трансформацію радіохвиль та теплові характеристики в фантомах і злоякісній пухлині. Показано, що структура теплоутворення на поверхні фантомів залежить від ступеня просторової неоднорідності ЕПМ та візуально відображає розподіл комп'ютерного розрахунку його ізоліній. Після трансформації ЕМП в фантомах вихідні характеристики магнітної компоненти, більшою мірою ніж електричної компоненти, залежали від величини просторової неоднорідності поля, використаних типів фантомів, просторового розподілу та концентрації в них іонів. Структура теплоутворення на поверхні карциноми легені Льюїс залежить від ступеня неоднорідності ЕМП.
Ключові слова: просторово-неоднорідне електромагнітне поле, температура, злоякісна пухлина, фантоми.
ВСТУП
Прийнято вважати, що при класичній електромагнітній гіпертермії максимальний ефект дії протипухлинних препаратів виникає за рівномірно розподіленої в злоякісній пухлині температури, що перевищує 42 °С [1, 2]. Але за таких температур суттєво зростає вірогідність синтезу білків теплового шоку та формування термотолерантності і терморезистентності на клітинному рівні, що, як відомо, істотно знижує протипухлинну ефективність препаратів [3].
У роботі [4] був показаний істотний ефект ініціації інгібування росту карциноми Герена резистентної до протипухлинного препарату доксорубіцину після комплексної дії локального електромагнітного опромінення із підвищеною просторовою неоднорідністю електромагнітного поля (ЕМП) та доксорубіцину. Внаслідок трансформації ЕМП в пухлині за фізіологічних температур ініціювались нерівноважні
термодинамічні процеси. Під трансформацією ЕМП в класичній фізиці розуміють явище взаємоперетворення електричної і магнітної компонент поля, формалізоване рівняннями Максвела. Проте при взаємодії ЕМП з біологічними
об'єктами, під трансформацією поля розуміють значно складніші феномени, обумовлені нерівноважними термодинамічними процесами в живому організмі. Тому у вище зазначеній роботі теоретично було припущено, що подолання хіміорезистентності пухлини при дії просторово-неоднорідного ЕМП було пов'язано з більш інтенсивною селективною трансформацією поля в гетерогенній структурі пухлинних тканин та їх кровоносних, лімфатичних судинах й нервових волокнах. При цьому в здорових тканинах посилення ефекту дії препарату повинно бути вельми обмежено, внаслідок істотно меншої гетерогенності структури цих тканин. Це припущення спиралось на раніше відоме посилання [5], що більш неоднорідні (хаотичні) зовнішні сигнали ЕМП можуть бути застосовані для ЕО пухлинних тканин, з метою впливу на нелінійну динаміку їх біохімічних процесів у напрямку збільшення вірогідності проходження
малоймовірних реакцій, з енергію активації вище за порогові рівні критичних теплових впливів. Проте, експериментальні аспекти особливостей впливу зміни просторової неоднорідності ЕМП на трансформацію радіохвиль та ініційовані ЕО
нерівноважні термодинамічні процеси в тканиноеквівалентних фантомах і злоякісних пухлинах не були вивчені.
Метою роботи було вивчення впливу зміни просторової неоднорідності електромагнітного
поля на трансформацію радіохвиль та теплові характеристики в фантомах і злоякісних пухлинах.
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ
Експериментальний стенд та модель канцерогенезу. Дослідження впливу зміни просторової неоднорідності ЕМП, а саме
напруженості електричної (Е) та магнітної (Н) компонент, на трансформацію радіохвиль та теплові характеристики в фантомах були виконані за
допомогою спеціально розробленого та
виготовленого експериментального стенду (рис. 1 ). ЕО з частотою 40 МГц проводили рамочним аплікатором з профілем у формі дуги кола (АДК) та з прямолінійним профілем (АПП) (рис. 2б).
Трансплантацію карциноми легенів Льюїс мишам лінії Є57БЬ/6 проводили згідно [6].
Розрахунок та вимір ЕМП аплікаторів. Розподіл ізоліній ЕМП аплікаторів розраховували за допомогою оригінальної комп'ютерної програми згідно [8]. Просторову неоднорідність ЕМП оцінювали за допомогою коефіцієнтів асиметрії розподілу поля. Асиметрія електричної (аЕ ) і магнітної (аН ) складової і питома поглинена потужність («Х4.К) ЕМП були обчислені згідно [9, 10].
Рис. 1. Експериментальний стенд: 1 - апарат «Магнітерм» [7]; 2 - аплікатор; 3 - датчик виміру Е та Н; 4 - датчик виміру Н; 5 - датчик виміру Е; 6 - попередній підсилювач та перетворювач електричного сигналу; 7 - персональний комп’ютер, оснащений АЦП та відповідним програмним забезпеченням; 8 -фантом ; 9 - оптоволоконний термометр; 10 - катетери з оптоволоконними датчиками температури.
Рис. 2. Типи аплікаторів: а - з профілем у формі дуги кола; б - з прямолінійним профілем.
Зміни електричної та магнітної компонент в фантомах визначали відповідно до аналогічних параметрів в повітрі.
АЯ = Н - Но
(2)
АЕ = Е - Ео
(1)
де Е0 - електрична напруженість в повітрі, Н0-магнітна напруженість в повітрі, Е - електрична напруженість за фантомом, Н - магнітна напруженість за фантомом.
Термометрія і термографія. Температуру всередині фантомів вимірювали оптоволоконним термометром ТМ-4 (Радмір, Україна). Зміну
температури всередині фантомів під впливом ЕО розраховували згідно:
АТ = Тзо - То, (3)
де Т0 = 37 °С - початкова температура фантома до ЕО; T30- температура через 30 хвилин після початку ЕО.
Для дослідження неоднорідності поля температур на поверхні фантомів та пухлин під впливом ЕО різними типами аплікаторів проводили термографію за допомогою дистанційного термографа з матричним фотоприймачем (Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України). Неоднорідність структури цифрових термограм оцінювали на основі зміни в зоні опромінення абсолютних значень мінімальної (Ттіп) і максимальної (Ттах) температур та параметра ентропії за Шеноном (5) по відношенню до відповідних значень перед ЕО (Ттп0, Ттах0, <$()).
Статистика. Статистичний аналіз вірогідності отриманих даних проводили за допомогою /-критерію Стьюдента, використовуючи
комп'ютерну програму 8іай8Ііса 6.0 з попередньою перевіркою гіпотези про нормальний закон розподілу випадкової величини за критерієм Колмогорова-Смірнова.
РЕЗУЛЬТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Розподіл ізоліній ЕМП аплікаторів. Розподіл ізоліній ЕМП аплікаторів, одержаний за допомогою комп’ютерного моделювання, представлений на рис. 3. Коефіцієнти асиметрії для електричної (аЕ) і магнітної (аЯ) компонент, а також питома поглинена потужність (5АЛ), розраховані в центрі петлі аплікатора в об’ ємі 1 см3, наведені у табл. 1.
Результати комп'ютерного моделювання свідчать про збільшення неоднорідності ЕМП в просторі поблизу АДК порівняно з АПП, при суттєво меншому значенні величини 5АЛ.
Неоднорідність температурного поля на поверхні фантомів. Типові приклади зображень розподілу температур на поверхні фантому з жирової клітчатки наведені на рис. 4, кількісні характеристики - табл. 2. Візуально структура теплоутворення на поверхні фантомів відображала розподіл вище наведених розрахованих ізоліній ЕМП для аплікаторів. Аналізуючи кількісні дані зміни температурного поля (табл. 2) слід відмітити, що для жирової клітчатки опромінення АПП суттєво нагрівало тканини в порівнянні з АДК. Крім того для всіх фантомів при ЕО АДК спостерігається значно більша ентропія порівняно
з АПП.
Таким чином при ЕО АДК розподіл поля температур на поверхні фантомів є більш неоднорідним порівняно з АПП, з тенденцією зменшення нагріву жирової клітчатки.
Трансформація радіохвиль та зміна температури всередині фантомів. Аналізуючи наведені в табл.3 данні слід зазначити, що відношення АЕ/Е0 для АДК порівняно з АПП статистично значуще зменшилось в середньому в 2,7 рази для еритроцитарної маси, поролону та
0,9 % розчину КаСІ, тоді як для тканини печінки, м’язової тканини та жирової клітчатки статистично значущої різниці виявлено не було. На відміну від цього відношення АН/Н0 в подібних експериментах у всіх випадках збільшувалось в середньому в 5,5 рази. Відношення АТ/Т30 при використанні АДК зменшувалося в середньому в 4,1 рази, крім експерименту з жировою клітчатою та 0,9 % розчином КаСІ, де статистично значуща різниця не спостерігалась порівняно з АПП. Слід зазначити, що ЕО АДК у випадках збільшення відношення АН/Н0 суттєво не впливало на температуру у фантомах.
Були також проведені дослідження трансформації радіохвиль в фантомах залежно від просторового розподілу та концентрації у них іонів. В наведених на рис. 5 даних, звертає на себе увагу нелінійний характер отриманих кривих. Значення АЕ/Е0 для АПП в середньому на 15 % перевищує таку для АДК при концентраціях КаСІ більше 2 %. Зміни АЕ/Е0 поля несуттєво залежать від типу фантому. Криві, які відображають зміну Н складової ЕМП мають найвищі показники при концентрації розчину КаСІ - 0,9 %. Кінетика концентраційних кривих для магнітної компоненти (Н) поля суттєво залежить від середовища та просторового розподілу КаСІ в фантомі та типу аплікатора.
Таким чином можна стверджувати, що трансформація Н і Е компонент ЕМП в фантомі суттєво залежить від концентрації іонів в середовищі та типу аплікатора. На відміну від Е компоненти, взаємодія Н з середовищем, що опромінюється, суттєво залежить від просторового розподілу іонів в середовищі фантому. Під впливом ЕО АДК на поверхні карциноми легенів Льюїс (рис. 6) структурна неоднорідність (зміна ентропії 5) розподілу тепла була вищою, а температура всередині пухлини була на 2,4 °С нижчою порівняно з ЕО АПП.
Отримані експериментальні дані зміни трансформації радіохвиль та розподілу температури на поверхні фантомів й злоякісній пухлини свідчать про селективну трансформацію просторово-неоднорідного ЕМП в гетерогенних структурах.
N
■ ^ж\\Х 14"
/ “ \ \ |
/ / \
/ / \ м
' ' 1 К ^--^7 1 і.
1 Ч, 1
' \|_ —- /
, ! / \ /1 , ^ , Ьм
\ ' / ЛІІк І5 І 1 и
V" 1 і л
V \ мі- :е ~т\
і і
\ ‘ Ч Ч -7*--
1,5
-1.5
Рис. 3. - Розподіл ізолінії ЕМП аплікаторів: а - електрична компонента АПП; б - магнітна компонента АПП; в -електрична компонента АДК; г - магнітна компонента АДК. Відстань від горизонтальної площини аплікатора
0,5 см. На еквіпотенціальних лініях вказані значення напруженості електричного (В/м) і магнітного (А/м) полів, по осі абсцис і ординат вказано відстань в см.
Таблиця 1.
Коефіцієнти асиметрії та питома поглинена потужність ЕМП для різних типів аплікаторів
Тип аплікатора Параметри
аЕ. у.од. ан, у.од. £АЯ, Вт/кг
АПП -0.03 0.16 8.8
АДК 0.89 0.48 1.6
■ 28 °С
23 °С
34 °С Ж
£. 24 °С т> і
34 °С
24 °С
а б в
Рис. 4. Розподіл температури на поверхні фантому з жирової клітчатки: а - поле температур до ЕО; б - поле температур після ЕО АПП; в - поле температур після ЕО АДК.
б
а
в
Таблиця 2.
Зміна температурного поля на поверхні фантомів під впливом ЕО
Тип Тип аплікатора
фантома АПП, М±т , % АДК, М±т , %
ЛТmin/Тmin0 ЛТmax/Тmax0 Лад ЛТmin/Тmin0 ЛТmax/Т max0 AS/So
Поролон 20,5 і 1,5 21,8 і 1,5 4б,1 і 7,2 19,2 і 1,5 23,3 і 1,5 59,5 і 7,2*
М’язові тканини 23,3 і 1,5 4,0 і 1,5 27,4 і 7,2 5,9 і 1,5* 7,2 і 1,5 141,1 і 7,2*
Жирова клітчатка 7б,5 і 1,5 34,2 і 1,5 57,4 і 7,2 11,б і 1,5* 2б,9 і 1,5* 115,б і 7,2*
Примітка. * - Різниця статистично значуща (р < 0,05) по відношенню до аналогічного показника при ЕО АПП.
Таблиця 3.
Відношення АЕ/Е0, АИ/И0 та А7У7з0 для різних типів фантомів
Тип аплікатора
Тип фантома АПП, М±т , % , % К , ч: & *1
ЛЕ/Е0 ЛТ/Т30 ЛЕ/Е0 AH/Ho ЛТ/Т30
М’язові тканини 21 ± 5 8,0 ± 1,3 1,7 ± 0,2 20 ± 2 31 ± 2,2* 0,1 ± 0,2*
Тканина печінки 22 ± 4 5,0 ± 1,2 7,3 ± 0,б 23 ± 2 29 ± 2,8* 3,4 ± 0,б*
Жирова клітчатка 14 ± 3 2,0 ± 0,7 5,8 ± 0,7 18 ± 3 17 ± 4,1* б,2 ± 0,8
Еритроцитарна маса 15 ± 3 2,3 ± 0,5 8,9 ± 1,1 4 ± 1* 17 ± 5,2* 1,7 ± 1,4*
0,9% розчин ^С1 47 ± 3 8,0 ± 1,0 0,2 ± 0,02 19 ± 3* 20 ± 3,1* 0,1 ± 0,01
Поролон 49 ± б 7,0 ± 0,5 б,2 ± 1,0 28 ± 4* 31 ± 3,5* 0,7 ± 0,2*
Примітка. * - Різниця статистично значуща (р < 0,05) по відношенню до аналогічного показника ЕМП АПП.
[NaCl], ° о
б
Рис. 5. Зміна ЕМП за фантомом залежно від концентрації №С1: а - електрична компонента; б - магнітна омпонента; 1 - ЕО АПП розчину №С1; 2 - ЕО АПП поролону, просоченого розчином №С1; 3 - ЕО АДК розчину №С1;
4 - ЕО АДК поролону, просоченого розчином №С1.
а
32 °C
19 °C
*
34 °C
23 °С
34 °C
23 °С
(5 = 3,5 ± 0,3) (5 = 3,9± 0,2) (5 = 4,1 ± 0,2)
а б в
Рис. 6. Структура розподілу температури на поверхні карциноми легені Льюїс: а - поле температур до ЕО; б - поле температур після ЕО АПП; в - поле температур після ЕО АДК.
ВИСНОВКИ
1. Опромінення з більш просторово-неоднорідним електромагнітним полем ініціює більш неоднорідну структуру теплоутворення на поверхні фантомів та карциноми легені Льюїс.
2. Вихідні характеристики електромагнітного поля після трансформації в фантомі залежать від величини вхідної просторової неоднорідності поля, використаних типів фантомів, просторового розподілу та концентрації у них іонів. Зміни магнітної компоненти були більш суттєві ніж електричної компоненти поля.
3. Збільшення просторової неоднорідності електромагнітного поля аплікатора з профілем у формі дуги кола супроводжується зменшенням 8ЛЯ та внутрішньопухлинної температури при опроміненні карциноми легені Льюїс.
Литература
1. Курпешев О.К., Цыб А.Ф., Мардынский Ю.С., Бердов
Б.А., Курпешева А.К. Локальная гипертермия в лучевой терапии злокачественных опухолей. -
Обнинск: ГУ - МРН Ц РАМН, 2007. - 220 с.
2. Гусев А.Н., Сигал В.Л., Осинский С.П. Теплофизические модели гипертермии опухолей. -К.: Наукова думка, 1989. - 176 с.
3. Барабой В.А., Зінченко В.А., Гавриленко М.Ф., Бобро Л.І., Бондарук О.С., Трутнєва І.Є. Терморадіотерапія в онкології // Український Радіологічний журнал. -1995. - № 3. - С. 372-380.
4. Орел В.Э., Николов Н.А.,Романов А.В.,Дзятковская Н.Н.,Мельник Ю.И. Влияние увеличения
неоднородности электромагнитного поля на усиление противоопухолевой активности доко-рубицина // Электроника и связь. - 2008. - №3-4
- С. 173-177.
5. Patent USA б4б131б, Chaos therapy method and device /R.H. Lee, Y. Lu.- 10.08.2002.
6. Chekhun V.F., Kovtonyuk O.V., Todor I.N., Kulik G.I. Total proteolytic activity and levels of the main proteinase inhibitors in blood plasma of mice bearing Lewis lung carcinoma upon development of resistance to cisplatin // Exp. Oncol. - 2005. - Vol. 27, № 4.
- Р. 28б - 289.
7. Мединец Ю.Р., Орловский A.A. Магнитотермия // Медицинская физика. - 2003. - Т.17, №1. - C. б7-74.
8. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1989.
- 544 с.
9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1974.
- 831 с.
10. Moseley H. Non-ionizing radiation. Medical physics handbooks. Bristol & Philadelphia: Adam Hilger, 1988.
- 293 p.
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТРАНСФОРМАЦИЮ РАДИОВОЛН И ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАНТОМОВ И КАРЦИНОМЫ ЛЕГКОГО ЛЬЮИС
Орел В.Э., Николов Н.А., Дзятковская Н.Н., Романов А.В., Мельник Ю.И., Дунаевский В.И., Дзятковская И.И.
Целью работы было изучение влияния изменения пространственной неоднородности электромагнитного поля (ЭМП) на трансформацию радиоволн и тепловые характеристики в фантомах и злокачественной опухоли. Показано, что структура теплообразования на поверхности фантомов зависит от степени неоднородности ЭМП и визуально отображает распределение компьютерного расчета его изолиний. После трансформации ЭМП в фантомах выходные характеристики магнитной компоненты, в большей степени чем электрической компоненты, зависели от величины пространственной неоднородности поля, использованных типов фантомов, пространственного распределения и концентрации в них ионов. Структура теплообразования на поверхности карциномы легкого Льюис зависит от степени неоднородности ЭМП.
Ключевые слова: пространственно-неоднородное электромагнитное поле, температура, злокачественная опухоль, фантомы.
THE INFLUENCE OF SPATIAL NONUNIFORM ELECTROMAGNETIC FIELD ON TRANSFORMATION OF RADIO-WAVES AND THERMAL CHARACTERISTICS OF PHANTOMS AND LEWIS LUNG CARCINOMA
Orel V.E., Nikolov N.A., Dzyatkovskaya N.N., Romanov A.V., Melnik Yu.I., Dunaevsky V.I., Dzyatkovskaya I.I.
The effect of change of spatial nonuniformity of the electromagnetic field (EMF) on transformation of radio-waves and thermal characteristics of phantoms and malignant tumor was investigated. It is shown that the structure of heat formation on the surface of phantoms depends on the degree spatial nonuniformity of the EMF and by sight represents allocation of computer calculation of it isolines. Output characteristics of magnetic component after transformation of the EMF in phantoms more than electric component depended on the value of spatial nonuniformity of the field, types of phantoms, spatial allocation and concentration of ions in them. Structure of heat formation on the surface of Lewis lung carcinoma depends on the degree of nonuniformityof the EMF.
Key words: spatial nonuniformity electromagnetic field, temperature, malignant tumor, phantoms.
