Введение к работе
уальность темы. Исследование пассивных электрических биологических тканей (БГ) - одна из важнейших проблем биофизики (Х.П.Шван, 1963). Повышенннй интерес к изучении пассивных электрических свойств биообъектов обусловлен тем, что в случае разработки точных методов измерения их электрических характеристик и определения физиологического или функционального состояния тканей и органов по результатам электрических измерения, открываются широкие возможности для диагностической оценки состояния любых тканей и органов, а не только электрически активных (Б.Н.Тарусов, О.Р.Колье, 1968).
В настоящее время в медицинских исследованиях пассивных электрических свойств тканей и органов применяются, в основном методы рзографии (Б.ИЛаябич, 1969), Объяснение этого факта, по-видимому, кроется в особенностях реографических исследований, позволяющих достаточно простими, технически доступными, неинвазяБНилі методами оценить кровенаполнение органа, эластичность сосудисто;': стенки и некоторые другие параметры, по относительный изменения:»! электропроводности, обусловленных пуяьсоЕыми волнами (А.И.Науменко, В.В.Скотников, 1975).
ІЬліедансокетрлческпе и кондуктометрические исследования пассивных электрических сеойств ВТ по своей сущности являются более инфордативннш, абсолютными, таї: как позволяет определять удельные электрические характеристики (Х.П.Шван, 1980). Результаты импедансометрических и кондуктометрических измерений различных биообъектов поддаются сравнению и количественным оценкам. Существенным недостатком кондуктометрических.методов является необходимость проведения измерений образцов БТ или жидкости в специальных ячейках правильной геометрической формы (В.С.Андреев, 1973). В медицинских исследованиях, в условиях клиники извлечение специального образца ткани не всегда возможно. В этой связи, наиболее удобными объектами для кондуктометрических исследований в медицине остаются лишь зшдкие среды организма, такие как кровь, плазма, ликвор.
С другой стороны установлено, что удельная электропроводность ВТ в конкретных нормальных условиях обычно величина стабильная и является одной из ее объективных физических характеристик. Особенно информативными являются низкочастотные
(Ш) измерения удельной электропроводности (УЭ) (П.Д.Слынько, 1972). Поэтому отклонения величина УЭ ог нормы могут быть использованы в диагностике для количественной оценки патологических изменений в тканях и органах. К сожалению, развитие физически обоснованных методов измерения УЭ тормозится из-за отсутствия общепринятых представлении о способах создания ж поддержания, постоянства электрических характеристик мезду электродами и янвымп тканями. Это приводит к значительному разбросу -полу-чешшх данншс, невоспроизводимосги исследований и, следователь-Ео, результаты различных авторов трудно сопоставить, В связи с вышегзложешны, построение теории и разработка методов измерения удельных электрических характеристик на органах и тканях произвольной геометрической $ор?.ш представляются весьма перс-пекишаши. Это позволило бы проводить исследования непосредственно на живом функционирующем организме без отрицательных последствнй и обеспечило бы широкий выход е клнкку.
Отсутствие комплексных исследований касакцихс'.: тес2--;ти-ческого рассмотрения и экспериментального изучения особенностей шледансомегрип и кондуктомегрда Ш з нан-юл?е икїормагнв-ьом низкочастотном диапазоне и, следователь! ;. возможность более оптимального решения практических задач :>.саНцнкскоп диагностики послужило основанием для начала и выполнения данной работы.
Цель исследования. Теоретическое и экспериментальное изучение пассивных электрических свойств биологических тканей, разработка теории и методов измерения их удельных электрических характеристик, поиск и биофизическое обоснование новых способов диагностики некоторнх заболеваний, пригодных для использования в условиях клиники.
Основные задачи исследования.
-
Теоретическое изучение особенностей импедансометрии и ковдухтоыетрии Ш. Провести анализ системы дидтаеренлиальных уравнений Максвелла для случая, когда материальной средой является биологическая ткань. Оценить вклад емкостной и активней составляющих проводимости в обдай импеданс БГ и на этой основе провести классификацию ЕГ по электрическим свойствам.
-
Изучить влияние скин-эф^екта и нарушения условия квазк-
стационарности на результаты измерения пассивных электрических характеристик ЕР. Провести анализ возможных вредных воздействий на биообъекты электрических полей и процесса электрических измерений.
-
Разработать ковдуктометрические диагностические устройства для измерения УЭ БГ и жидкостей с повышенной точностью на низких частотах.
-
Построить теорию и разработать конструкции электродных устройств для нетрашатичного измерения УЭ ЕР' и органов произвольной геометрической $орш.
-
Обосновать теорию определения параметров кровоснабжения тканей и органов в гакроциркулярном русле по электрофизическим измерения;* разработанными диагностическими устройствами.
Є. Обосновать методы измерения емкостных характеристик БГ, исключающие влиянии емкости границы раздела металлический электрод-ВГ на результаты исследований.
-
Изучить влияние различных физико-химических воздействий (алкогольная интоксикагдо, лазерное излучение, радоновые ванны, электрические поля) на биообъекты до изменениям их электрических характеристик с иомсисш новых диагностических устройств.
-
Разработать нетрашатптаые экспресс-способы определения жизнеспособности тканей и органов, пригодные для использования в условиях клиники на основе созданных кондуктометричес-ЮІХ устройств.
Научная новизна. Диссертационная работа посвящена одной из актуальных, но недостаточно разработанных проблем медицинской и биологической д-изикЕ - исследованию пассивных электрических свойств биологических тканей на низких частотах. Б основной рассмотрены вопросы, имеющие прикладное значение для медицины. Разработанные диагностические устройства и методы, диагностики могут быть использованы в медико-биологических исследованиях непосредственно в условиях клиники.
Б работе впервые показано, что скин-эффект и нарушение условия квазистациоваркости при измерении удельных электрических характеристик биологических тканей могут приводить к ра-
змерннм эффектам. Впервые рассчитаны и построены номограммы, позволяющие исключить влияние размерных эффектов на точность измерений. Предложена классификация биологических тканей по электрическим свойствам, облегчающая анализ результатов им-педансометрических измерений. Выдвинут ноенй биофизический механизм влияния переменных электрических полей низкой частоты на биологические обьектн.
Разработаны принципиально ноЕые конструкции кондуктоме-трических ячеек с высокой точностью измерения на низких частотах (А.с. & III6373), полностью исключающие влияние поляризационных эффектов как на токовых, так и на потенциальных электродах.
Предгояенн новые способы исследования емкостных свойств биологических тканей в области низких частот, исключающие ьли-яшіе емкости металлический электрод - Ш на результаты исследований, а также методика определения низкочастотной диэлектрической проницаемости биологических тканей.
Впервые рассмотрены теоретические принципы измерения удельных электрических характеристик биологических тканей произвольной геометрической формы к на этой основе разработаны электродные устройства для прижизненных, нетравматкчных экспресс--измерений тканей и органов произвольной геометрической формы. Электродные устройства могут быть использованы для иятраопе-рационной диагностики..
Использование разработанных электрофизических методов исследования в медико-биологических экспериментах позволили впервые количественно оценить физиологические изменения, происходящие в организме после физико-химических или фармакологических воздействий: лазерного излучения, электрических полей низкой частоты, при алкогольной интоксикации, при лечении радоновыми ваннами.
Разработанные кондуктометрические устройсті а и способы точного определения и анализа электрических характеристик биологических тканей позволили обосновать новые методы экспресс-диагностики физиологического состояния тканей и органов, опирающиеся на измерения их абсолютных характеристик. В частности, предложены новые экспресс-способы определения
кровенаполнения миокарда, определение относительных изменений скорости кровотока (А.с. № I2I7337), способ определения жизнеспособности ткани кишки (А.с. № I4I2740), способ определения жизнеспособности трансплантата роговицы глаза.
Практическая ценность. Разработанные диагностические устройства и метода измерения удельных электрических, характеристик биологических тканей и жидкостей наши практическое применение на теоретических и клинических кафедрах Новосибирского медицинского института и в научно-исследовательских институтах Сибирского отделения Академии медицинских наук СССР: в Институте клинической и экспериментальной медицины СО АМН СССР, в Институте физиологии СО АМН СССР. Разработанные электродные и кондуктометрические устройства, а также способы определения жизнеспособности тканей используются в клиниках и больницах г. Новосибирска и в Новосибирском филиале МНТК микрохирургии глаза.
В соответствии с Договором о научном и техническом сотрудничестве мезду Новосибирским медицинским институтом и На-учно-исследовательким институтом измерительных приборов НПО "Кристалл" от 24.10.89 г., в качестве исходных данных переданы результаты наших исследований и разработок для подготовки рабочих чертежей к серийноиу производству медицинских кондуктометров. В настоящее время в НИИ измерительных приборов изготовлено 10 экспериментальных, образцов кондуктометров.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Нарушение условия квазистационарности электрического поля и скин-эффект при измерениях пассивных удельных электрических характеристик БГ могут приводить к появлению размер-ныхэффектов.В силу специфических особенностей электрических свойств БГ (низкая электропроводность и высокая относительная диэлектрическая проницаемость) размерные ьффекты проявляются на достаточно низких частотах.
-
Особенности распределения плотности тока л потенциалов в объеме и на поверхности БГ от электродов полусферической формы могут быть использованы для создания электродных устройств, позволяющих измерять удельную электропроводность ЕГ. Для случая четырех электродов УЭ ткани, ток через электроды, падение напряжения на ткани и расстояния между элек-
тродами можно связать математической расчетной формулой.
-
В области низких частот емкостные свойства системы злектрод-ВТ-электрод определяются в основном емкостью границы раздела электрод-ВТ, хотя относительная диэлектрическая проницаемость ВТ с понижением частоты возрастает.
-
Разработанный комплекс диагностических приборов, тет-раполярных кондуктометрических ячеек и четырехэлектродных ус-
>- тройств обеспечивают измерения У изолированных образцов.ВТ и ;-; жидкостей с высокой точностью на низких частотах, а также поз-; воляют проводить нетрашатичнне, прижизненные измерения УЭ на
.. тканях и органах произвольной геометрической формы. -.';/ ." 5. Изменения величины УЭ ЕГ в зависимости от их физиоло-'*> гического состояния в области низких частот наблюдаются в ш-'*'>;.'роком: динамическом диапазоне. Обнаруженное явление позволяет ,/ использовать низкочастотные измерения для оценки фнзиологичсс-Кого состояния тканей и органов и определять их жизнеспосоЗ-" ' - ность с высокой достоверностью.
Апробация материалов дисоет-таїши. Материалы диссергзпг.к были доложены и обсувдеш:
- на I Съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока "Фи
зиологические и структурно-функциональные основы жиэн\дедто-
-' -льности человека в районах нового промышленного ееве^.т.;: Сибири". Новосибирск, 1985,,
- на Научно-практическом совещании "Оценка бяияішя леї!
СШ ж УВН на природные системы". Томск, 1987 г.,
на II.Конференции изобретателей и рационализаторов, -посвященной 70-детию Великой Октябрьской социалистической революции. (2доклада) Новосибирск, 1987 г.,
на Пленуме проблемной комиссии по хирургии СО АМН СССР "Актуальные вопросы современной хирургии детского возраста." Новосибирск, І988 г.,
. участие в Областном радиотелевизионном конкурсе приборных разработок "Прогресс-88". Президиумом Новосибирского областного Совета БОИР и Комитетом по телевидению и радиовещанию присувдено звание Лауреат конкурса "Прогресс-88".
- на Семинаре по прикладной и магнитной гидродинамике
"Секция физические проблемы в медицине". Пермь, 1989 г.,
-' на II Всесоюзной конференции "Проблемы физики прочности и пластичности полимеров". Душанбе, 1990 г.,
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 324 страницах машинописного текста (основной текст составляет 230 страниц) и состоит из введения, обзора литературы, 6 глав собственных исследований, общих выводов, раздела "Внедрение результатов в практику", указателя литературы, включающего 229 отечественных и 87 иностранных источников и приложения. Текст иллюстрирован 26 таблицами и 70 рисунками. Диссертация является плановой научной работой НМИ и связана с разработками кафедри медицинской и биологической физики по теме:"Изучение термодинамических, электрических и оптических свойств биологических тканей". Номер государственной регистрации темы - 0I85.0Q7905C. Весь материал диссертации получен, обработан и проанализирован лично автором.