ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА И ОБНАРУЖЕНИЯ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ
DIELECTRIC METHOD OF ESTIMATING FUNCTIONAL STATE OF HUMAN ORGANISM AND DETECTING PATHOLOGICAL CHANGES

Изобретение относится к методам измерений и может быть использовано в медицине, при функциональной диагностике состояния человеческого организма, выявлении различных видов патологий, связанных с нарушениями водно-солевого баланса, углеводного обмена и др.
В качестве объекта исследования, позволяющего судить о состоянии человеческого организма, рассматривается одна из наиболее доступных биологических жидкостей человека - пот, вырабатываемый потовыми железами, состоящий на 98-99% из воды, содержащий азотистые вещества (мочевину, мочевую кислоту, креатинин, аммиак), аминокислоты (серии, гистидин), следы белка, уроканиновую кислоту, летучие жирные кислоты, мыла, холестерин, соли щелочных металлов (хлорид натрия), парные эфиросерные кислоты и ароматические оксикислоты, глюкозу, витамины, биогенные амины (ацетилхолин, катехоламины, гистамин), стероидные гормоны и др.
Качественный состав пота неодинаков на различных участках кожи; наибольшее количество хлоридов определяется в поте потовых желез шеи, наименьшее - в поте потовых желез бедер, голеней и тыла кистей. В поте апокринных желез содержится значительное количество липидов. Содержание минеральных и органических веществ в поте меняется в зависимости от характера питания и общего состояния организма. Общая сумма выделяемых с потом веществ определяется количеством образующегося пота (от 0.4-0.6 до 1-2 л/сутки и более).
Известно [1], что по содержанию в поте различных продуктов обмена и биологически активных веществ можно судить об отдельных сторонах функций организма. Выделение с потом мочевины и аммиака косвенно отражает функцию почек, пепсиногена, амилазы и щелочной фосфатазы - функцию органов пищеварения. При сахарном диабете в поте возрастает содержание глюкозы, при заболеваниях печени - желчных кислот, при уремии и холерной анурии - мочевины. С потом из организма выводятся ртуть, мышьяк, железо, йод, бром, хинин, бензойная, янтарная, виннокаменная, гиппуровая, салициловая кислоты, салол, антипирин [1].
Нарушения потоотделения могут быть следствием дистрофических изменений потовых желез врожденного или приобретенного характера, возникать при органических поражениях нервной системы, заболеваниях артериальных сосудов конечностей (эндартериит, атеросклероз), патологиях вен (тромбофлебит), поражениях кожи (рубцы, ожоги, ихтиоз, экзема, склеродермия, атрофия кожи и др.), при кожных изменениях (нервная форма лепры, сирингомиелия, опоясывающий лишай) и др. Общие расстройства потоотделения встречаются при некоторых наследственных заболеваниях, сопровождающихся патологией закладки или иннервации потовых желез. Потоотделение несет информацию о наличии доброкачественных и злокачественных опухолей потовых желез, включая рак потовых желез, а также экстрамаммарный рак Педжета, который иногда может развиваться из апокринных потовых желез [1].
Известны методы, позволяющие на качественном уровне оценить особенности и расстройства общего потоотделения путем визуального осмотра, пальпации, определения потери веса тела в единицу времени, абсорбции пота с поверхности кожи. Потоотделение на различных участках кожи изучается электрометрическими методами, основанными на изменении поверхностного сопротивления кожи в зависимости от интенсивности потоотделения. Топографию интенсивности потоотделения исследуют с помощью колориметрических методов, основанных на изменении степени и характера окраски различных химических веществ в зависимости от выраженности потоотделения на различных участках кожи [1].
Известны способы выведения из человеческого организма бензола и его производных [2], меди, кобальта, цинка [3], заключающиеся в создании и длительном поддержании усиленного кровотока в подкожно-жировом слое, потоотделения и соответственно выведения указанных веществ из организма человека.
Известен способ определения уровня гликемии, основанный на измерении содержания глюкозы в поте с помощью высокоспецифического хромогенного субстрата для пероксидазы [4]. Корреляция концентрации глюкозы в поте с уровнем гликемии позволяет судить об уровне глюкозы в крови, не прибегая к инвазивной диагностике. При концентрациях глюкозы в пределах 1,3 мг констатируют нормогликемию, а ниже и выше этого предела соответственно гипо- и гипергликемию.
Известен способ определения мочевины и креатинина в пробах слезы или пота колориметрическим методом [5], касающийся определения различных патологий или состояний организма, связанных с нарушениями азотистого обмена, особенно при обширных хирургических ранах, ожогах почечной патологии, заболеваниях, приводящих к нефропатиям.
К недостаткам перечисленных способов можно отнести не всегда высокую точность, в ряде случаев лишь качественную оценку определяемых параметров, необходимость учета побочных факторов, использование специальных специфических субстратов и др.
Известен способ определения вегетативной асимметрии путем термометрии и измерения потоотделения, заключающийся в том, что измеряют температуру кожи правой и левой кисти в проекции сгибателей и разгибателей, затем измеряют потоотделение концевых фаланг, вычисляют средние значения температур и потоотделения в проекции сгибателей и разгибателей с последующим определением процентного отношения разницы температуры и потоотделения левой кисти к правой, а правой к левой, и при их процентном отношении 70,6±33,2, а потоотделения - 67,5±5,8 определяют вегетативную асимметрию у правшей, а при повреждении нервных стволов правого или левого плечевого сплетения вычисляют процентные отношения разницы средних температур и потоотделения, и по отклонению показателей полученных величин от нормы определяют вегетативную асимметрию у больных [6].
Недостатком данного способа является его предназначенность для определения конкретного вида патологии (вегетативной асимметрии).
Наиболее близкими к заявляемому способу являются способ диагностики функционального состояния биологического объекта, основанный на регистрации электромагнитных волн возбуждения заданного органа или части биологического объекта, определения интервальных и амплитудных параметров этих волн, формирования фазовых и энергетических характеристик [7], а также метод радиотермометрии (РТМ), позволяющий неинвазивно выявлять тепловые аномалии на глубине нескольких сантиметров по измерениям интенсивности микроволнового излучения внутренних тканей пациента в СВЧ-диапазоне, зависящей от диэлектрических характеристик и температуры тела [8-11].
В способе [7] с изменением положения вектора фазовой характеристики формируют элементарные геометрические фигуры перемещения данного вектора по фазовой плоскости и определяют плотность вероятности появления элементарной геометрической фигуры каждого вида, по которой судят о состоянии биологического объекта. Для уточнения параметров функционального состояния биообъекта регистрируют периметры всех сформированных элементарных геометрических фигур, по изменению или статистическим параметрам которых, а также по фазовым и/или энергетическим характеристикам корректируют параметры состояния биологического объекта.
Недостатком данного способа является влияние электромагнитного излучения, формируемого соседними органами, выше и нижележащими тканями, что снижает точность диагностики.
Заявляемый способ оценки функционального состояния человеческого организма и обнаружения патологических изменений по измеренным в микроволновом диапазоне диэлектрическим параметрам потовой жидкости, отличающийся от аналогов тем, что вместо измерения радиометрическими приемниками интенсивности микроволнового излучения определяют в микроволновом диапазоне комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП) потовой жидкости, появляющейся в результате нагревания тела в сауне, тепловой кабине или совершения физических упражнений.
Следует отметить, что в способах, рассматриваемых в качестве аналогов, потовая жидкость, появляющаяся на теле пациента и характеризующаяся диэлектрическими параметрами, значительно превышающими диэлектрические параметры кожи, мышечной, жировой и костной тканей человеческого тела, представляет собой экранирующий слой, снижающий точность определения искомых параметров.
Изобретение направлено на создание способа диагностики функционального состояния человеческого организма и обнаружения происходящих в нем изменений на основе определения действительной (ε') и мнимой (ε”) частей КДП потовой жидкости, отобранной с разных участков тела.
Сущность способа заключается в том, что функциональное состояние человеческого организма и возникающие патологии оказывают влияние на массовую концентрацию и компонентный состав потовой жидкости, что подтверждено результатами экспериментальных исследований, проведенных разными авторами (например, [2-7]). В свою очередь, массовая концентрация и компонентный состав веществ, растворенных в жидкости, определяют ее диэлектрические характеристики в микроволновом диапазоне [12, 13].
Соответственно, измерив на разных частотах из диапазона 0.3÷1.2 ГГц КДП потовой жидкости, взятой с разных участков человеческого тела, и рассчитав массовые концентрации, можно косвенно судить о функциональном состоянии человеческого организма. Определяя КДП потовой жидкости с некоторой периодичностью (например, еженедельно или 1-2 раза в месяц), можно по ее изменению судить о возникающих отклонениях и, таким образом, осуществлять раннюю диагностику возможных патологий.
Физической основой данного метода является экспериментально установленное различие в микроволновом диапазоне на частотах 0.3÷1.2 ГГц диэлектрических характеристик потовой жидкости, отобранной с разных участков человеческого тела, обусловливающее различие зависимостей КДП от частоты ε'(f), ε”(f) и массовой концентрации ε'(S), ε”(S).
Реализацию предлагаемого способа осуществляли в следующей последовательности:
1. Нагревание тела пациента в сауне до появления интенсивного потоотделения.
2. Отбор образцов потовой жидкости в чистые пробирки в объеме 2-4 мл с правой и левой рук, правой и левой ног, груди и живота, лица (при необходимости можно проводить более детальное обследование, отбирая пробы с локальных участков тела).
3. Отстаивание пробирок с образцами потовой жидкости в течение суток для того, чтобы на дно пробирки осели ороговевшие частицы кожи, попавшие в потовую жидкость при ее отборе с тела пациента.
4. Отбор очищенной потовой жидкости в объеме 1-2 мл и приготовление нескольких (не менее 2) образцов потовой жидкости с разной массовой концентрацией солей путем их разбавления разным количеством дистиллированной водой. (Для возможности построения зависимостей ε'(S), ε”(S) требуется не менее 2 точек с разными значениями S и известное значение КДП дистиллированной воды S=0).
5. Измерение диэлектрических параметров потовой жидкости в диапазоне от 0.3 до 3.0 ГГц с шагом 0.1÷0.5 ГГц на лабораторной установке, включающей в себя промышленный фазометр ФК2-18 и генераторы сигналов высокочастотные Г4-76А, Г4-78, Г4-79, Г4-80 (для определения ε' и ε” можно также использовать другие аналогичные приборы, например, микрополосковые устройства). Установление частотных зависимостей ε'(f) и ε”(f) в указанном частотном диапазоне.
6. Измерение диэлектрических параметров потовой жидкости на одной из частот из микроволнового диапазона. (Выбор рабочей частоты может быть осуществлен, исходя из графиков эмпирических зависимостей ε'(f) и ε”(f) в том диапазоне, где наблюдается максимальное различие между КДП потовой жидкости, взятой с разных участков тела. В данном конкретном случае измерения были проведены на частоте 1.11 ГГц).
7. Определение массовых концентраций для каждого образца, для которого измерялись диэлектрические параметры, включая неразбавленную потовую жидкость.
8. Построение зависимостей ε'(S) и ε”(S), необходимых для определения массовых концентраций солей, например, графическим методом по измеренным значениям ε', ε”.
Для примера на фиг.1 приведены эмпирические зависимости ε'(f) и ε”(f) образцов потовой жидкости пациента, имеющие для разных частей тела следующий вид:
левая рука:
2
3
ε'=91.7-18.2f+7.7f-1.2f,σ=2.3,
2
3
ε”=131.6-152.3f+72.7f-11.4·f, σ=3.3,
правая рука:
2
3
ε'=108.7-53.3f+28.2f-4.7f, σ=3.5,
2
3
ε”=147.8-171.9f+81.7f-12.8f, σ=4.6,
левая нога:
2
3
ε'=98.1-31.3f+14.7f-2.2f, σ=3,6,
2
3
ε”=128.5-147.1f+69.5f-10.8f, σ=3.5,
правая нога:
2
3
ε'=98.0-31.4f+15.3f-2.4f, σ=3,6,
2
3
ε”=117.9-136.8f+65.5f-10.3f, σ=3.4,
лицо:
2
3
ε'=96.0-29.9f+15.8f-2.5f, σ=2,7,
2
3
ε”=118.2-119.5f+38f-0.3f, σ=3.1,
грудь и живот:
2
3
ε'=124.2-130.1f+106.8f-26.7f, σ=8.3,
2
3
ε”=133.2-135.3f+44.6f-1.2f, σ=4.7,
здесь σ - среднеквадратическая погрешность.
Видно, что различие в диэлектрических характеристиках образцов потовой жидкости, отобранных с разных участков тела, наблюдается во всем исследованном диапазоне частот, достигая максимальных различий на частотах 0.3…1.2 ГГц, что может быть связано с влиянием ионной проводимости растворенных солей и органических веществ, а также с различием их диэлектрических характеристик в данном частотном диапазоне.
Является доказанным [2-7], что изменение функционального состояния человеческого организма (например, в результате отравления ядовитыми веществами, появлением опухолей, протеканием ряда заболеваний) вызывает изменение компонентного состава и массовой концентрации растворенных веществ потовой жидкости. Это, в свою очередь, приводит к изменению зависимостей ε'(f), ε”(f) и ε'(S), ε”(S). Соответственно, при одном и том же компонентном составе диэлектрические характеристики потовой жидкости будут зависеть от массовой концентрации содержащихся в ней солей и органических веществ.
max
На фиг.2 приведены зависимости ε'(S) и ε”(S), построенные путем измерения КДП потовой жидкости, разбавленной дистиллированной водой в диапазоне массовых концентраций от S=0 (дистиллированная вода) до S=S (неразбавленная потовая жидкость), имеющие следующий вид:
C
B
В
Р
С
Р
C
Массовую концентрацию S определяли по формуле S=M/M, где М=М-М - масса воды в растворе, М, M - массы раствора и безводной соли, измеренные путем взвешивания на аналитических весах с точностью до 0.001 г до и после выпаривания воды из образца в термостате при температуре 105°С.
а
Для практического использования приведенные зависимости (1) и (2) могут быть преобразованы к виду: S=(ε'-)/b, S=(ε”-c)/d.
Для разных частей тела зависимости (1) и (2) имеют следующий вид:
левая рука: ε'=81.0+18·S, σ=0.6, ε”=4.1+1629·S, σ=2.5,
правая рука: ε”=82.0-63.7·S, σ=0.9, ε”=3.2+1895·S, σ=2.5,
левая нога: ε'=81.2+5.3·S, σ=0.53, ε”=4.3+1618·S, σ=2.4,
правая нога: ε'=81.1-57.2·S, σ=1.34, ε”=1.02+1963·S, σ=2.52,
лицо: ε'=81.4-52.9·S, σ=0.75, ε”=7.1+1459·S, σ=3.6,
грудь и живот: ε'=82.2-142.0·S, σ=1.1, ε”=8.4+2250·S, σ=4.5.
Для оценки возможности практической реализации предлагаемого изобретения исследовали влияние доброкачественных образований (липом) на диэлектрические характеристики образцов потовой жидкости, отобранных с правой и левой частей передней брюшной стенки с площади примерно 150×50 мм. В мягких тканях брюшной стенки у пациента лоцировались образования повышенной эхогенности, имеющие ультразвуковые признаки липом, общей площадью 292 мм (в левой части) и 219 мм (в правой части).
Экспериментально было установлено различие значений S для образцов, отобранных с правой и левой частей брюшной стенки, и различие зависимостей ε'(S) и ε”(S), видимо, обусловленное различием значений S, a также разными площадями, занятыми липомами.
Для потовой жидкости, отобранной с левой части (в области липом), получены значения S=0.024, ε'=76.5, ε”=44.8, с правой части - S=0.020, ε'=76.6, ε”=38.3.
Зависимости ε'(S) и ε”(S) аппроксимировали полиномами 1 и 2 степени:
Левая часть живота:
ε'=76.7+16.7·S, σ=0.65; ε”=13+1342 S, σ=1.9;
2
2
ε'=76.25+251.7·S-10414·S, σ=0.66; ε”=12.3+1673 S-14692 S, σ=1.8.
Правая часть живота:
ε'=77.8-18.9·S; σ=0.63, ε”=9.7+1463 S; σ=1.3,
2
2
ε'=77.3+229·S-13557·S; σ=0.36, ε''=9.5+1557 S-5140 S, σ=1.4.
Для примера на фиг.3 приведены зависимости ε'(S) и ε”(S) для правой и левой частей живота, аппроксимированные полиномами 2 степени.
Видно, что зависимости ε (S) и ε''(S) различаются и поэтому могут быть использованы для оценки происходящих в организме патологических изменений (в частности, регистрации опухолевых образований).
Степень изменения функционального состояния человеческого организма может быть оценена в результате измерений величин ε', ε” и анализа временных трендов ε'(τ) и ε”(τ), изменение которых во времени может быть обусловлено изменением массовой концентрации и компонентного состава растворенных веществ, содержащихся в потовой жидкости. В этом случае производные по времени будут указывать направленность происходящих в человеческом организме процессов:
1.  - функциональных изменений и патологий не наблюдается;
2. , , ,  - наблюдаются функциональные изменения в человеческом организме или патологии.
Погрешность определения диэлектрических параметров потовой жидкости за счет побочных факторов может быть снижена выбором условий съемки, в частности, отбором проб потовой жидкости натощак (для исключения влияния приема пищи), принятия душа (для очищения кожных покровов от возможных загрязнений), проведения измерений КДП при одной и той же температуре образца и др.
Источники информации
1. Большая Медицинская Энциклопедия. 3 изд-е. 1983. Т.20. С.391.
2. Зайцева Н.В., Вайсман Я.И., Медведков В.Д. и др. Способ выведения бензола и его производных // Патент RU №2107485, 1998.
3. Зайцева Н.В., Вайсман Я.И., Медведков В.Д. и др. Способ выведения меди, кобальта и цинка из организма человека // Патент RU №2106845, 1998.
4. Моренкова С.А.; Лопухин Ю.М. Способ определения уровня гликемии // Патент RU №2118821, 1998.
5. Моренкова С.А., Лопухин Ю.М. Способ определения мочевины и креатинина в биологических жидкостях // Патент RU №2101706, 1998.
6. Никулина В.А., Кокин Г.С., Орлов А.Ю. Способ определения вегетативной асимметрии // Патент RU 2222255, 2001.
7. Гаврилушкин А.П., Вадилов С.А., Маслюк А.П. Способ контроля функционального состояния биологического объекта // Патент RU №2127549, 1999.
8. Lawson R.N. and Chughtai M.S. Breast Cancer and Body Temperature // Can Med Assoc J. 1963. January 12. 88 (2). P.68-70.
9. Ludeke et al. Method and arrangement for measuring the physical temperature of an object by means of microwaves // Patent US №4235107, 1980.
10. Троицкий B.C., Густов А.В., Белов И.Ф. и др. О возможности использования собственного теплового СВЧ-радиоизлучения тела человека для измерения температуры его внутренних органов: результаты и перспективы. // УФН. 1981. Т.134. Вып.1. С.155-158.
11. Поляков В.М., Шмаленюк А.С. СВЧ-термография и перспективы ее развития. Применение в медицине и народном хозяйстве // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. М.: Изд-во ЦНИИ "Электроника", 1991, 58 с.
12. Романов А.Н. Влияние массовой концентрации минеральных солей на диэлектрические характеристики их водных растворов в микроволновом диапазоне. // Радиотехника и электроника. Т.49. №9. 2004. С.1157-1163.
13. Романов А.Н. СВЧ-диэлектрический способ определения массовой концентрации, чисел гидратации и структуры водно-солевых растворов // Патент РФ №2365901 от 27.08.2009.
Фиг.1. Зависимости действительной (1) и мнимой (2) частей комплексной диэлектрической проницаемости разных участков тела от частоты сигнала: а - рука левая, б - рука правая, в - нога правая, г - нога левая, д - лицо, е - грудь и живот.
Фиг.2. Зависимости ε'(1), ε”(2) от массовой концентрации потовой жидкости, отобранной с разных участков тела: а - левая рука, б - правая рука, в - левая нога, г - правая нога, д - лицо, е - грудь и живот.
Фиг.3. Зависимости ε' и ε” от массовой концентрации потовой жидкости, отобранной с левой (1) и правой (2) частей передней брюшной стенки.