Метод ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии биологической жидкости
Автор: Мартусевич А.К., Назаров В.В., Ковалева Л.К., Почешхова Э.А., Степанова Е.А., Давыдюк А.В.
Статья в выпуске: 1 т.257, 2024 года.
Бесплатный доступ
Целью работы служил сравнительный анализ диэлектрической проницаемости плазмы крови человека и животных с помощью метода ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии крови. Установлено, что диэлектрическая проницаемость плазмы крови является видоспецифичной и возраст-зависимой характеристикой биологической жидкости. При этом наиболее высоким уровнем показателя среди рассмотренных биообъектов обладают крысы, наименьшим люди, а кролики занимают промежуточное положение между ними. У человека значение параметра также зависит от возраста индивида.
Свч-диэлектрометрия, ближнепольное зондирование, диэлектрическая проницаемость, кровь
Короткий адрес: https://sciup.org/142240692
IDR: 142240692 | УДК: 631:533 | DOI: 10.31588/2413_4201_1883_1_257_154
Method of near-field dielectrometry of biological fluid
The aim of the work was a comparative analysis of the dielectric permittivity of human and animal blood plasma using the method of near-field microwave blood dielectrometry. It has been established that the dielectric permittivity of blood plasma is a species-specific and age-dependent characteristic of biological fluid. At the same time, rats have the highest level of the indicator among the considered biological objects, humans have the lowest, and rabbits occupy an intermediate position between them. In humans, the value of the parameter also depends on the age of the individual.
Текст научной статьи Метод ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии биологической жидкости
За последние 30 лет накоплен определенный массив данных, характеризующих диэлектрические свойства крови. Эти сведения позволили обосновать потенциальную информативность анализа диэлектрических свойств в оценке физикохимических параметров и компонентного состава различных биообъектов [1-4, 12]. Кроме того, некоторыми авторами выявлены сдвиги рассматриваемых показателей у пациентов с онкологическими заболеваниями [7] и нарушениями углеводного обмена, в том числе сахарным диабетом [1, 4].
В зарубежной литературе представлены единичные исследования, включавшие оценку диэлектрических свойств эритроцитов и плазмы в широком частотном диапазоне (от 10 кГц до 250 МГц), причем принципиальным параметром, оказывающим наиболее существенное влияние на электродинамические параметры цельной крови и ее компонентов, является температура [11, 12]. Кроме того, измерения диэлектрических характеристик крови в указанном выше частотном диапазоне позволили выявить многие физические параметры макромолекул и их фрагментов [5, 6]. С другой стороны, несмотря на имеющийся в литературе материал, посвященный исследованиям электрических свойств крови в широком частотном диапазоне и при различных температурах, данные эмпирические сведения в настоящее время не имеют однозначного сопряжения с иными биохимическими и физико-химическими параметрами биологической жидкости. Наиболее распространенной точкой зрения на механизмы трансформации изучаемых диэлектрических характеристик крови являются физиологические и патологические процессы, сопровождающиеся нарушением баланса внутри- и внеклеточной, а также свободной и связанной с макромолекулами воды [5, 6, 8].
В настоящее время одним из перспективных и развивающихся методов изучения диэлектрических свойств биологических сред является резонансное ближнепольное СВЧ-зондирование. Данная диагностическая технология обладает широким потенциалом в оценке состояния биологических объектов, в первую очередь тканей организма [10]. Это позволяет применять ее в качестве средства неинвазивной диагностики в дерматологии, трансплантологии, комбустиологии и других областях медицины и ветеринарии [3, 7-10, 12]. Выбор диапазона сверхвысоких частот электромагнитного поля, как физического принципа зондирования биообъектов связан с тем, что в нем максимально отчетливо фиксируются различия в диэлектрических свойствах свободной и связанной воды [4-6, 9, 10]. Использование
СВЧ-диапазона дополнительно обосновано простотой и удобством изготовления измерительной аппаратуры. Даже незначительные изменения параметров биологического объекта фиксируются за счет резонансного способа измерения [3, 4, 7, 11, 12]. В наших предшествующих исследованиях [9] и в единичных работах зарубежных специалистов показана принципиальная возможность анализа биологических жидкостей (в первую очередь, цельной крови) путем ближнепольного СВЧ-зондирования, однако необходимо уточнение информативности данного подхода. В связи с этим, целью работы служил сравнительный анализ диэлектрической проницаемости плазмы крови человека и животных с помощью метода ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии крови.
Материал и методы исследований. Использованный в данном эксперименте лабораторнодиагностический комплекс для оценки диэлектрических свойств биологических жидкостей основан на высокодобротном СВЧ-резонаторе, выполненном на отрезке коаксиальной линии с фторопластовым заполнением [9]. На одном конце резонатора находится магнитная рамка, к другому подключена нагрузка, в состав которой входит зондирующая ближнепольная антенна. Для возбуждения резонатора и приема его отклика использовались две петли магнитной связи, расположенные вблизи рамки резонатора. Измерительная антенна представляет собой краевую емкость цилиндрического конденсатора длиной 35 мм. Радиусы внутреннего и внешнего проводников составляли 0,1 и 0,4 мм, соответственно. Диагностика крови осуществляется краевым полем цилиндрического конденсатора, торец которого погружается в диэлектрическую кювету с исследуемой биожидкостью – пробирку типа эппендорф. Погружение датчика осуществлялось под небольшим углом к поверхности жидкости для исключения образования воздушных полостей у зондирующего торца датчика. Кювета цилиндрической формы с внутренним радиусом 5 мм устанавливается на параллелепипеде из пенопласта. Схема аналитического комплекса для ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии биосред изображена на рисунке 1.
За счет малых поперечных размеров датчика для анализа требовался относительно небольшой объем плазмы крови (50-100 мкл). Расстояние от торца датчика до дна и до боковых стенок кюветы было фиксировано и составляло порядка 3 мм, что заведомо больше расстояния между внутренним и внешним проводниками. Поэтому неточность установки датчика в кювету приводила к несущественным ошибкам (не более 1-2 %) измерения диэлектрической проницаемости. Для исключения влияния внешних объектов на показания датчика резонансную измерительную систему помещали в металлический цилиндрический корпус диаметром 4 см. На одном торце металлического цилиндра устанавливали 2 высокочастотных разъема для подключения возбуждающей и приемной линий к соответствующим петлям связи, а на другом подключали измерительная емкость.
В качестве источника СВЧ-колебаний в резонаторе использовался высокостабильный свип-генератор в виде быстродействующего синтезатора частот на основе однопетлевой системы фазовой автоподстройки частоты. Управление генератором осуществлялось программным образом от компьютера. По сдвигу резонансной частоты и уменьшению амплитуды сигнала при резонансе восстанавливались электродинамические параметры исследуемой среды в области ближнепольной антенны. В качестве калибровочной среды использовался спирт с известной комплексной диэлектрической проницаемостью. Все измерения проводились в соответствии с ГОСТ МЭК 62209-1-2008. Контроль температуры осуществляли с помощью пирометра.
Рисунок 1 - Схема программно-аппаратного комплекса, позволяющего оценивать
диэлектрические характеристики биологических жидкостей
В рамках данного исследования изучали диэлектрическую проницаемость образцов плазмы крови человека и животных. Биологическую жидкость получали от 20 крыс линии Вистар, 10 кроликов породы «Серый великан». Также использовали образцы цельной крови от практически здоровых детей (n=25, возрастной диапазон - от 10 до 14 лет) и взрослых людей (n=35, возрастной диапазон - от 20 до 45 лет). Плазмы крови выделяли путем центрифугирования по стандартному протоколу. Все включенные в исследование люди (или их законные представители) подписывали информированное согласие.
Результаты обрабатывали с использованием программы Statistica 6.0. 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.
Результат исследований.
Установлено, что диэлектрическая проницаемость является видоспецифической характеристикой плазмы крови (Рисунок 2).
Рисунок 2 - Уровень диэлектрической проницаемости плазмы крови крыс, кроликов и человека («*» - статистическая значимость различий относительно уровня, характерного для крыс P<0,05)
Рисунок 3 – Уровень диэлектрической проницаемости плазмы крови людей различного возраста («*» - статистическая значимость различий P<0,05)
Так, наиболее высокий уровень данного параметра в плазме крови зафиксирован у крыс. У человека значение показателя оказалось на 26,7 % ниже, чем у крыс (P<0,05), а диэлектрическая проницаемость биосреды кроликов занимает промежуточное положение между ними.
Кроме того, имеют место возрастные особенности диэлектрических свойств плазмы крови (Рисунок 3). При этом у средней возрастной группы уровень изучаемого параметра на 14,2% выше, чем у детей (P<0,05).
Заключение. На основании проведенных исследований показано, что диэлектрическая проницаемость плазмы крови является видоспецифичной и возраст-зависимой характеристикой биологической жидкости. При этом наиболее высоким уровнем показателя среди рассмотренных биообъектов обладают крысы, наименьшим люди, а кролики занимают промежуточное положение между ними. У человека значение параметра также зависит от возраста индивида, и мы предполагаем, что данная закономерность будет прослеживаться у животных. Дальнейшие исследования будут ориентированы на конкретизацию возможностей диагностической информативности метода в биомедицине и ветеринарии.
Список литературы Метод ближнепольной СВЧ-диэлектрометрии биологической жидкости
- Базаев, Н. А. Неинвазивные методы измерения уровня глюкозы в крови / Н. А. Базаев, С. В. Селищев // Медицинская техника. – 2007. – № 1. – C. 40-47.
- Козинец, Г. И. Клетки крови. Современные технологии их анализа / Г. И. Козинец, В. М. Погорелов, Д. А. Шмаров, С. Ф. Боев, В. В. Сазонов. – М. Изд. «Триада-Фарм», 2002. – 200 с.
- Мартусевич, А. К. Ближнепольное резонансное СВЧ-зондирование как метод исследования глубинной структуры ожоговой раны в эксперименте / А. К. Мартусевич, С. Ю. Краснова, А. Г. Галка [и др.] // Современные технологии в медицине. – 2018. – Т. 10. – № 3. – С. 109-113.
- Пархоменко, М. П. Исследование диэлектрических свойств крови и разработка резонаторного метода для неинвазивного измерения содержания глюкозы в крови / М. П. Пархоменко, С. В. Савельев, С. В. Гратовски // Радиотехника и электроника. – 2017. – Т. 62. – № 3. – С. 276-291.
- Bao, J. Z. Microwave dielectric characterization of binary mixtures of water, methanol and ethanol / J. Z. Bao, M. L. Swicord, C. C. Davis // J. Chem. Phys. – 1996. – Vol. 104. – № 12. – P. 4441-4450.
- Behrends, R. Dielectric properties of glycerol/water mixtures at temperatures between 10°C and 50°C / R. Behrends, K. Fuchs, U. Kaatze [et al.] // J. Chem. Phys. – 2006. – Vol. 124. – P. 144512.
- Liewei, S. A review of dielectric properties of normal and malignant breast tissue / S. А. Liewei // Proceedings IEEE. SouthEastCon. – 2002. – P. 457–462.
- Mashimo, S. Structures of water and primary alcohol studied by microwave dielectric analyses / S. Mashimo // J. Chem. Phys. – 1991. – V. 9. – № 9. – P. 6257-6260.
- Martusevich, A. K. Method of nearfield dielectrometry of biological fluid / A. K. Martusevich, A. G. Galka, E. S. Golygina, A. N. Tuzhilkin, A. S. Fedotova // Archiv Euromedica. – 2020. – V. 10. – № 2. – P. 20- 21.
- Martusevich, A. K. Near-field microwave tomography of biological tisssues: future perspectives / A. K. Martusevich, V. V. Nazarov, A. V. Surovegina, A. V. Novikov // Critical Reviews in Biomedical Engineering. – 2022. – V. 50. – I. 4. – P. 1-12.
- Sudsiri, J. On the temperature dependence of the dielectric membrane properties of human red blood cells / J. Sudsiri, D. Wachner, J. Gimsa // Bioelectrochemistry. – 2007. – V. 70. – № 1. – P. 134-140.
- Wolf, M. Broadband dielectric spectroscopy on human blood / M. Wolf, R. Gulich, P. Lunkenheimer, A. Loidl // Biochimica et Biophysica Acta. – 2011. – 1810 (8). – P. 727-740.
