Введение к работе
Актуальность темы. Исследованием физических свойств биологических объектов активно занимаются во многих лабораториях как в России, так и за рубежом. В частности, большое внимание уделяется методикам изучения биологических жидкостей, основанным на измерениях их электрических параметров, а именно импеданса, поскольку импедансная спектроскопия широко применяется в различных областях в качестве рабочего инструмента. Биологические жидкости часто используются в качестве экспериментальной модели при разработке технических средств, расширяющих возможности существующих диагностических методик, или создании новых подходов, учитывающих особенности изучаемых систем. С точки зрения физики, модели биологических жидкостей можно рассматривать как конденсированную среду с взвешенными коллоидными элементами. Употребляемый при этом термин «биологические жидкости» часто включает в себя не только телесные жидкости, возникающие в организме естественным способом, но и искусственно приготовленные модели жидкостей. В данной работе моделирование биологических жидкостей происходит путем последовательного уменьшения концентрации коллоидных частиц при добавлении физраствора в исследуемую биологическую жидкость. Импедансные спектры полученных жидкостей исследовались в а- и Р-зонах частотной дисперсии электропроводности и диэлектрической проницаемости. На основе полученных экспериментальных данных исследована зависимость диэлектрической проницаемости исследуемых жидкостей от концентрации коллоидных частиц в пределе слабого поля. Показано, что диэлектрическая проницаемость исследуемых моделей биологических жидкостей линейно зависит от концентрации коллоидных частиц в исследуемом растворе. Полученные экспериментальные данные использовались для разработки метода диагностики острых кровопотерь, так как используемые в настоящее время методы обладают малой точностью и требуют длительного времени, к тому же отмечается неполное соответствие данных, вычисленных различными способами. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной.
Целью настоящей работы является разработка методов
экспериментального моделирования биологических жидкостей и изучение их электрофизических параметров для повышения достоверности медицинских диагностических методик. Для достижения указанной целей были поставлены следующие задачи:
-
экспериментальное моделирование биологической жидкости, формирующейся в кровеносной системе человека при кровопотере;
-
разработка конструкции измерительной ячейки, электродов и исследование комплексного сопротивления различных моделей биологических жидкостей при частотах измерительного сигнала в диапазоне частот от 1 Гц до ЗМГц с целью выбора оптимальных значений для использования на практике как конструкции измерительной кюветы, так и частоты измерительного сигнала;
-
разработка методики наполнения измерительной ячейки без пузырьков воздуха, наличие которых искажает результаты;
-
исследование характера зависимости комплексного сопротивления одной из моделей биологических жидкостей (цельной крови) в зависимости от различных факторов, построение калибровочной кривой для определения кровопотери по величине сопротивления крови;
-
разработка принципиальной электронной схемы прибора, изготовление действующего макета, включающего измерительную ячейку.
Научная новизна. Все основные результаты данной работы являются новыми. В рамках данного исследования:
-
проведено исследование комплексного сопротивления различных моделей биологических жидкостей при разных геометриях измерительных ячеек в широком диапазоне частот от 1 Гц до 3 МГц;
-
показано, что диэлектрическая проницаемость исследуемых моделей биологических жидкостей линейно зависит от концентрации коллоидных частиц в исследуемом растворе;
-
проведено исследование зависимости активного сопротивления одной из моделей исследуемых биологических жидкостей (цельной крови) от различных факторов при измерениях в капиллярной ячейке;
-
разработана конструкция измерительной ячейки;
-
разработана методика наполнения ячейки без пузырьков воздуха;
-
разработан и изготовлен макет прибора для количественного измерения острых кровопотерь.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанного прибора для количественного определения объема кровопотери на практике, в том числе и в полевых условиях. Предлагаемый метод имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими аналогами: стабильность результатов во времени, высокая точность определения объема
кровопотери, возможность использования в полевых условиях, автономность, компактность, простота использования и быстрое получение результатов.
Объект и методы исследования. Объектом исследования являлись полное сопротивление различных моделей биологических жидкостей, его активная и реактивная составляющие в широком диапазоне частот в различных разработанных конструкциях измерительных ячеек: 1) бицилиндрической ячейке с 1а) изолированными и 16) неизолированными со сторон, соприкасающихся с исследуемой жидкостью, электродами; 2) капилляре. Измерения проводились при помощи импедансметра Solartron Analitical 1260 с диэлектрическим интерфейсом 1296, позволяющим исследовать комплексные электрофизические параметры образцов в интервале частот от 10" Гц до 30МГц в автоматическом режиме с компьютерной обработкой результатов, и на RLC измерителе Instek LCR- 819 с возможностью измерения сопротивления, ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь, добротности, эквивалентного последовательного/параллельного сопротивления в диапазоне частот от 12Гц до ЮОкГц.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
конструкция измерительной ячейки;
-
экспериментальные данные по зависимостям комплексного сопротивления различных моделей биологических жидкостей в частотном диапазоне от 1Гц до 3 Мгц при различных конструкциях измерительных ячеек: капиллярной измерительной ячейке, бицилиндрической ячейке с изолированными и неизолированными со сторон, соприкасающихся с исследуемой жидкостью, электродами;
3. линейная зависимость диэлектрической проницаемости исследуемых моделей биологических жидкостей от концентрации коллоидных частиц в исследуемом растворе;
4. экспериментальные данные по зависимости активной составляющей
полного сопротивления одной из моделей исследуемых биологических жидкостей
(цельной крови) от различных факторов при измерениях в капиллярной ячейке;
5. метод определения объема острых кровопотерь.
Достоверность результатов исследований. Достоверность полученных результатов основывается на использовании современных физических методов исследования, высокой воспроизводимости экспериментальных данных. Выводы, сделанные по результатам работы, являются достоверными, научные положения аргументированы и прошли апробацию на научных конференциях и в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях: III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010», Москва, 21-25 июня, 20 Юг; Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок - прорыв в будущее", Воронеж, 14-16 марта, 2011г. Диссертационная работа выполнялась при поддержке индивидуального гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Основные научные результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения НИОКР по теме: «Разработка методик и прибора диагностики острых кровопотерь», заказчик ЗАО «Воронежский инновационно-технологический центр», 2011-2012 гг., 2013-2014гг.
Вклад автора. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор метода и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Содержит 55 рисунков, 1 таблицу, библиографический список использованных источников из 100 наименований. Общий объем диссертации - 99 страниц.
