НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Makarov_P.pdf (393.49Кб)

УДК 536.2; 004.02	Россия, ВолГУ (Волгоград)

Измерение параметров биотканей (в т.ч. in vivo) имеет большое значение для медицинской диагностики. Например, значение параметра перфузии крови связано с состоянием системы микроциркуляции крови, а ее функционирование влияет на состояние тканей во всех органах. Данная работа описывает предложенный ранее принцип [1] в обобщенной форме. Принцип предназначен для неинвазивного измерения параметров стационарного теплообмена в биологических тканях. В исследовании также представлены результаты некоторых экспериментов (натуральных и численных).

Для неинвазивного измерения теплофизических параметров был разработан ряд методов, использующих нестационарный тепловой процесс в биоткани [2][3]. Однако, эти методы требуют сбора большого объема данных, для представления зависящего от времени теплового сигнала. Кроме того, требуется последующая обработка данных специализированными алгоритмами для оптимального подбора параметров.

Целью данного исследования является разработка альтернативного подхода, использующего стационарный тепловой процесс для неинвазивного измерения параметров стационарного теплообмена в живых тканях.

Можно сформулировать общий принцип для методов измерений, основанных на таком подходе. А именно, в эксперименте измеряются вариации (изменения) двух физических величин, при переходе от одного стационарного теплового состояния в другое. Одна из этих двух величин однозначно определяет стационарное тепловое поле в биоткани в заданных условиях эксперимента, а другая однозначно определяется этим тепловым полем. Далее, можно определить значения параметров из численных (или аналитических) функциональных зависимостей связывающих измеренные вариации, поскольку эти зависимости содержат неизвестные параметры.

Эти зависимости выражаются посредством формулы:

Здесь dq_i – вариация величины q, которая однозначно определяется тепловым полем в биоткани (процедура измерения с номером i), dU_i– вариация физической величины U, однозначно определяющей стационарное тепловое поле, {p_j} – совокупность параметров, которые нужно измерить.

Теоретический анализ показал, что реализация изложенного принципа приводит к уравнениям, которые не содержат неизвестных величин температуры крови и плотности мощности биологических источников тепла, в отличие от первоначального уравнения Пеннеса [4]. Это является главным преимуществом разработанного подхода, по сравнению с нестационарными методами. Кроме того, нет динамической погрешности средств измерения, которая неизбежно связана с процедурой измерения для переходных процессов.

Были проведены вычислительные и натурные эксперименты, для проверки функциональности изложенного выше принципа неинвазивного измерения параметров стационарного теплообмена. Например, с использовнием теплофизической модели биоткани [5], была смоделирована процедура измерения для получения величин двух теплофизических параметров модельной биоткани, а именно перфузии крови (в абсолютных единицах) и коэффициента теплопроводности. Также, с помощью специально сконструированного датчика, были проведены измерения для реальной биологической ткани кожного эпителия человека. Оценка значения параметра перфузии крови находится в хорошем соответствии с литературными данными [6], несмотря на иллюстративную цель проведенных измерений. Эти эксперименты также продемонстрировали возможность одновременного измерения нескольких теплофизических параметров биологической ткани неинвазивным образом, используя относительно простое оборудование.

Формула (1) может содержать не только теплофизические параметры биоткани, но и любые другие параметры, при условии, что каждый из них однозначно влияет на стационарный теплообмен в конкретном эксперименте. Например, была показана возможность восстановления толщины слоёв подкожной ткани для модели кожи по результатам тепловых измерений на основе описанного принципа. При введении в уравнение Пеннеса функции внешних источников, принцип даст возможность получить параметры взаимодействия различных физических полей (оптических, акустических и пр.) с биотканью, которое приводит к тепловому эффекту, при условии, что тепловое поле является стационарным.

Таким образом, представленный принцип может рассматриваться как основа для создания новых неинвазивных методов измерения различных параметров, влияющих на стационарный процесс теплообмена в живых тканях. Также, принцип устраняет влияние неизвестных параметров температуры крови и биологических источников тепла. Соответствующие методы, основанные на этом принципе, не требуют сбора и обработки больших объемов данных, не генерируют динамическую инструментальную ошибку. Кроме того, исходные значения измеряемых параметров существенно не нарушаются во время процедуры измерения. Дальнейшее развитие данной работы будет включать:

1) разработку новых методик измерения на основе описанного принципа, предназначенных для измерения теплофизических параметров реальной биологической ткани с большей точностью
2) расширение перечня измеряемых параметров, включая некоторых констант взаимодействия с различными физическими полями
3) совершенствование алгоритмов обработки данных.

Список литературы

1. Макаров С.Ю.О методах неинвазивной диагностики живых тканей // Журнал научных и прикладных исследований. 2013. № 9. С. 43-44.
2. Mudaliar A.V. Development of a phantom tissue for blood perfusion measurement and noninvasive blood perfusion estimation in living tissue. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2007.
3. Yue K., Zhang X., Zuo Y.Y. Noninvasive method for simultaneously measuring the thermophysical properties and blood perfusion in cylindrically shaped living tissues // Cell Biochem Biophys. 2008. Vol. 50. P. 41-51.
4. Pennes H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting forearm // J. Appl. Physiol. 1948. Vol. 1. 2. P. 93-122.
5. Макаров С.Ю. Теплофизическая модель биоткани и её численная реализация // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 10. DOI: 10.7463/1013.0645537
6. JiangS.C., Ma N., Li H.J., Zhang X.X. Effects of thermal properties and geometrical dimensions on skin burn injuries // Burns. 2002. Vol. 28. P. 713-717.