Способ определения жизнеспособности тканей биологических объектов и устройство для его осуществления

 

Использование: в области экспериментальной биологии и физиологии. Сущность изобретения: на исследуемую ткань подают сигнал СВЧ и регистрируют отраженный сигнал. Сравнивая поданный и отраженный сигналы регистрируют коэффициент отражения и разность фаз указанных сигналов. По разности фаз определяют жизнеспособность ткани, а по коэффициенту отражения - динамику изменения показателя жизнеспособности. Устройство содержит СВЧ генератор, разделитель мощности, два модулятора, рупорный облучатель и блоки обработки отраженного сигнала и отображения получаемых параметров. По уменьшению разности фаз отраженного и поданного на участок ткани СВЧ сигнала судят о повышении жизнеспособности ткани, а увеличение коэффициента отражения достоверно подтверждает этот вывод. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной биологии и физиологии и позволяет определить экспериментально жизнеспособность ткани путем измерения комплексного коэффициента отражения сигнала СВЧ диапазона низкой интенсивности.

Определение жизнеспособности биологических тканей чрезвычайно актуально в тех случаях, когда успех воздействия существенно зависит от состояния пересаживаемого участка. При запоздалом решении вопроса о критическом уровне жизнеспособности ткани, затянутые во времени, некробиотические процессы пересаженной ткани переходят на подстилающую ткань и нередко исключают возможность повторного воздействия.

Физикальные методы определения жизнеспособности тканей весьма ненадежны. Существующие приборные методы улучшают диагностику, однако широкого распространения не получили в силу относительно невысокой эффективности при ощутимом неудобстве в их применении.

Известны приборные методы определения жизнеспособности тканей, основанные на импедансометрии, термографии и полярографии. Из них термография и полярография нацелены на выделение температурных градиентов на поверхности кожи, что позволяет обнаружить и диагностировать очаги явного отторжения. О жизнеспособности тканей в этих случаях судят по косвенному показателю - динамике общего состояния ткани.

Ошибки в диагностике при использовании этих методов обусловлены отсутствием однозначной связи между развитием воспалительного процесса в первые дни после воздействия и утратой жизнеспособности в пределах операционного поля [1] Известен способ, основанный на измерении полного сопротивления тканей переменному электрическому току [2] но ощутимым недостатком этого метода является неинвазивность, так как для измерения импеданса используются игольчатые электроды, заметная продолжительность процедуры измерения 10 и более минут, необходимость использования тока значительной мощности, что небезразлично для исследуемой ткани, особенно вблизи электродов, относительно узкий диапазон измерений импеданса при клинически значимых изменениях жизнеспособности тканей, невозможность динамических наблюдений в силу травматичности исследования и потому нежелательности повторности измерения, особенно на тканях малого размера, трудности интерпретации результатов в плане прогноза жизнеспособности исследуемых тканей и другое.

Наиболее близким к заявленному является способ определения жизнеспособности тканей биологических объектов, включающий подачу на участок данной ткани СВЧ-сигнала, регистрацию отраженного сигнала и сравнение параметров исходного и отраженного сигналов [3] Однако в данном случае недостатком указанного способа является его низкая эффективность и информативность.

Так же известно устройство для реализации указанного способа [3] содержащее генератор СВЧ, связанный с аттенюатором, циркулятор с рупорным облучателем, усилитель и блок отображения информации.

В данном случае определение жизнеспособности осуществляется по величине коэффициента отражения сигнала СВЧ от ткани, что не является достаточно информативным показателем.

Целью изобретения является повышение эффективности определения жизнеспособности исследуемых биотканей и увеличение информативности такого определения.

Указанная цель в части способа достигается тем, что регистрируются фазы исходного и отраженного сигнала, по разности которых судят о жизнеспособности ткани, причем величину падающего СВЧ-сигнала выбирают не более 0,3 Р, где Р минимальный уровень интенсивности СВЧ-сигнала, при котором не происходит необратимых или тепловых процессов в клетках ткани объекта в течение времени воздействия.

А так же тем, что регистрируют величину коэффициента отражения СВЧ-сигнала от исследуемого участка ткани и определяют величину диэлектрической проницаемости ткани.

Относительно устройства, цель достигается тем, что оно снабжено разделителем мощности, двумя модуляторами и последовательно включенными сумматором, квадратичным детектором, усилителем частоты модуляции и синхронным детектором, выход которого связан со входом усилителя, выход аттенюатора посредством разделителя мощности связан со входом каждого из модуляторов, первый выход первого из которых связан с циркулятором, а первый выход второго модулятора с первым входом сумматора, со вторым входом которого связан выход циркулятора, при этом выход опорного сигнала каждого модулятора связан с соответствующим входом синхронного детектора.

Кроме того, устройство снабжено компьютером, связанным с выходом усилителя через интерфейс.

Следует отметить, что измерение комплексного коэффициента отражения осуществляется в диапазоне 50 МГц 100 ГГц при крайне низком уровне сигнала (в большинстве случаев не более 10 мкВт/см²), при этом частотный диапазон выбирается в зависимости от расположения исследуемой ткани от поверхности тела.

Заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет обеспечить полную неинвазивность исследования, обеспечить полное отсутствие побочного влияния на состояние исследуемых тканей, простоту и быстроту получения результата, время измерения несколько секунд, надежность и достоверность получаемой информации от интересующей ткани при нестрогих требованиях к датчику, возможность простой интерпретации результатов за счет довольно однозначных связей между состоянием исследуемых тканей и измеряемыми физическими величинами.

Анализ патентной и научной литературы показал, что заявленное как совокупность признаков в части способа и устройства неизвестно, т.е. оно соответствует критерию "новизна".

Поскольку имеется потребность в такого рода методах и устройствах, и устройство реализуется на основе известных средств, то заявленное соответствует критерию "промышленная применимость".

Так как в результате реализации заявленного способа за счет работы устройства получается новый эффект, позволяющий резко увеличить надежность и достоверность прогноза жизнеспособности, причем данные результаты получены исключительно в результате экспериментальных исследований и не очевидно из уровня развития науки и техники.

На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа определения жизнеспособности тканей биологического объекта, содержащего генератор СВЧ 1, аттенюатор 2, разделитель 3 мощности первый 4 и второй 5 модуляторы, циркулятор 6, репорный облучатель 7, сумматор 8, квадратичный детектор 9, усилитель частоты модуляции 10, синхронный детектор 11, усилитель (постоянного тока) 12, блок отображения информации 13, например, цифровой вольтметр, компьютер 14,связанный с усилителем 12 через плату интерфейса 15, при этом на синхродетектор 11 поступают сигналы с модуляторов 4 и 5 и с усилителя 10.

Способ при работе устройства реализуется следующим образом. Сигнал СВЧ-генератора 1 через аттенюатор 2 поступает на разделитель 3. Зондирующий сигнал через модулятор 4 и циркулятор 6 поступает на вход рупорного облучателя 7, выполненного либо в виде коаксиала в корпусе из нержавеющей стали с фторопластовым заполнителем (в диапазоне менее 10 ГГц), либо представляющего собой открытый участок волновода, который заполнен диэлектриком, обеспечивающим достаточный коэффициент отражения от биологической ткани (в диапазоне > 10 ГГц). В КВЧ диапазоне таким требованиям отвечает лейкосапфир с диэлектрической проницаемостью порядка 10 и малым тангенсом диэлектрических потерь.

Отраженный сигнал через рупорный облучатель, циркулятор и сумматор поступает на синхронный детекторный приемник. Опорный сигнал через модулятор 2, идентичный модулятору 1, поступает в сумматор и далее на синхронный детектор, где происходит выделение сигналов, пропорциональных мощности отраженного, опорного и суммарного сигналов. С выхода синхронного детектора после усилителя постоянного тока на плату интерфейса поступает три сигнала: где P₁₀ мощность зондирующего сигнала, Г коэффициент отражения, Р₁ мощность отраженного сигнала, Р₂₀ мощность опорного сигнала, φ фаза отраженного сигнала; причем

U₂ и φ_о определяются конструкцией прибора и являются постоянными величинами.

После обработки в персональном компьютере на экран монитора выводятся гистограммы двух сигналов:

где Г_эт характеристика выбранного калибровочного раствора (например, воды).

Относительная точность определения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения не ниже 1%
Независимо от наличия компьютера на цифровом вольтметре возможна последовательная индикация сигналов U₁; U₂; U₃.

В приборе используется модуляционный метод измерения, позволяющий получить высокую точность при малой мощности зондирующего сигнала. Метод состоит в том, что период измерения разделен на 4 равных временных интервала: Т₁ Т₄, заполненных различной по содержанию информацией.

В Т₁ на вход квадратичного детектора поступает отраженный сигнал мощности
P₁= P₁₀|Г|²
В Т₂ на вход поступает опорный сигнал мощности Р₂₀.

В T₃ на вход поступает сумма опорного и отраженного сигналов. Мощность принимаемого сигнала

В Т₄ сигнала на детектор не поступает.

Максимальная частота модуляции определяется через, потребное время однократного измерения, которое в свою очередь ограничивается, исходя из трех факторов:
1) число измерений в усредняемом массиве;
2) ограничения мощности зондирующего излучения;
3) чувствительность детектора.

Например, при необходимости получить массив > 10 ³ измерений сигнала, мощностью < 1 мкВт, и при наличии детектора, позволяющего получить измерение за время > 0,8 мс, частота модуляции должна быть порядка 1 кГц.

Эффективность применения заявляемого способа определения жизнеспособности проверялась в экспериментах на растениях, животных и так далее, т.е. тех объектах, которые имеют биологическое происхождение. Эксперимент на животных ставился при формировании у них осевых плоских кожных лоскутов с заданным процентом некроза. Преобладание дегенеративно-дистрофических и некробиотических процессов при использовании данного способа проявляется уменьшением фазы и увеличением амплитуды комплексного коэффициента отражения по сравнению с интактной тканью. Метод позволяет установить неблагоприятный прогноз в первые сутки после операции, в то время как в применяемых методах, т. е. клинически и морфологически, некроз диагностируется не ранее четырех суток с момента операции.

Литература.

1. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии, М. Агромпромиздат, 1989 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1412740, 1989.

3. Авторское свидетельство СССР N 1836915, 1983.

Формула изобретения

1. Способ определения жизнеспособности тканей биологических объектов, включающий подачу на участок данной ткани потока энергии СВЧ диапазона, регистрацию отраженного сигнала и сравнение исходного и отраженного сигналов, отличающийся тем, что регистрируют фазы исходного и отраженного сигналов, по разности которых судят о жизнеспособности ткани, причем величину исходного СВЧ сигнала выбирают не более 0,3 Р, где Р максимальный уровень интенсивности СВЧ сигнала, при котором еще не происходит необратимых или тепловых процессов в клетках ткани объекта в течение времени воздействия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрируют величину коэффициента отражения СВЧ сигнала от участка ткани, в зависимости от которой корректируют динамику изменения жизнеспособности.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по величине фазы и амплитуды отраженного сигнала определяют величину диэлектрической проницаемости участка ткани.

4. Устройство для определения жизнеспособности тканей биологических объектов, содержащее генератор СВЧ, связанный с аттенюатором, циркулятор с рупорным облучателем, усилитель и блок отображения информации, отличающееся тем, что оно снабжено разделителем мощности, двумя модуляторами и последовательно включенными сумматором, квадратичным детектором, усилителем частоты модуляции и синхронным детектором, выход которого связан с входом усилителя, выход аттенюатора посредством разделителя мощности связан с входом каждого из модуляторов, первый выход первого из которых связан с циркулятором, а первый выход второго модулятора связан с первым входом сумматора, с вторым входом которого сообщен выход циркулятора, при этом выход опорного сигнала каждого модулятора связан с соответствующим входом синхронного детектора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено компьютером, связанным с выходом усилителя через интерфейс.