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 | DOI: 10.31588/2413_4201_1883_1_257_154
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.
