Исследование диэлектрических свойств биологической ткани при термической модификации in vitro

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; G ikovich, 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; G ikovich, 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; T mur 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; Sun g 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; R icu 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 ε и проводимость σ) 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 St tistic 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 (N ito S., Hoshi M., M shimo S., 1997; H y shi Y., Miur N., Shiny shiki N., Y gih r S.,   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; N ito et al. , 1997; H y shi 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.