Ближнепольное резонансное СВЧ-зондирование как метод исследования глубинной структуры ожоговой раны в эксперименте

Введение

Повсеместная распространенность и неснижающаяся частота возникновения термических травм предопределяют не только разработку инновационных технологий лечения тяжелообожженных, но и совершенствование диагностического аппарата комбустиологии [1–3]. В настоящее время для рассматриваемого контингента пострадавших наибольшее значение имеет клиническая оценка локального статуса, в том числе оценка, сопряженная с использованием ряда эмпирических алгоритмов для определения пространственных характеристик полученной травмы («правило девяток» и др.) [2–4]. Вместе с тем в комбустиологии сохраняется значительное количество диагностических затруднений, связанных с уточнением границ ожогового поражения, оценкой жизнеспособности тканей в околораневой зоне, однородности раны и т. д. [1, 3, 5]. Отдельным пунктом следует выделить верификацию глубины поражения кожи и подкожных структур [5, 6].

Для решения этого комплекса задач помимо превалирующего в реальной клинической практике эмпирического подхода изучаются возможности тепловизионного ИК-исследования [1, 2, 7]. Показано, что в ряде ситуаций данная технология является информативной, однако она позволяет судить лишь о состоянии поверхности кожи и ближайших подлежащих структур. Современные варианты ультразвукового исследования, обладающие высокими информативностью и разрешающей способностью при иной патологии, в отношении термической травмы не позволяют достичь нужного контрастирования [1, 5–7].

Дополнительным затрудняющим обстоятельством при визуализации тканей в комбустиологии служит наличие между датчиком и поверхностью кожи физической преграды (временных и постоянных раневых покрытий), устранить которую для проведения диагностических манипуляций не всегда представляется возможным (например, при использовании биопокрытий, содержащих матрикс со стволовыми клетками) [5, 6, 8, 9]. Это является препятствием для большинства методов исследования подповерхностной структуры, покровных тканей, в частности для ультразвукового исследования. Все это обусловливает поиск и апробацию принципиально иных технологий оценки глубинных характеристик ожоговой раны и околораневой зоны [8].

В данном аспекте привлекает внимание относительно недавно появившийся в биомедицине метод ближнепольного резонансного СВЧ-профилирования, основанный на изучении диэлектрических свойств тканей, а именно диэлектрической проницаемости и проводимости [8, 10–14]. Предшествующими исследованиями [15–17] было показано, что эта технология высокоинформативна в дерматологии. Она позволяет осуществлять первичную диагностику и дифференциальную диагностику различных заболеваний кожи, а также и мониторировать эффективность проводимого лечения, прогнозируя вхождение пациента в фазу ремиссии. Однако в комбустиологии рассматриваемый метод ранее не применялся.

Цель исследования — изучить диагностические возможности ближнепольного СВЧ-зондирования в оценке глубинной структуры кожи крыс в норме и в области экспериментальной ожоговой раны.

Материалы и методы

Исследование выполнено на 30 половозрелых крысах-самцах линии Wistar, разделенных на две равные по численности группы. 1-я группа (n=15) была конт­рольной, с ее представителями не проводили никаких манипуляций, кроме однократного СВЧ-зондирования. Крысам 2-й, основной, группы (n=15) моделировали контактный термический ожог на площади 20% поверхности тела по собственной методике [18], после чего сразу по окончании нанесения и через 1 сут изучали диэлектрические свойства тканей ожоговой раны.

Все манипуляции с животными проводили в соответствии с нормативами, указанными в руководстве «Guide for the Care and Use of Laboratory Animals» (National Research Council, 2011); с национальным стандартом РФ ГОСТ 33044–2014 «Принципы надлежащей лабораторной практики»; с этическими принципами Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (Страсбург, 2006). Протокол исследования одобрен Этическим комитетом Приволжского исследовательского медицинского университета.

Ближнепольное СВЧ-зондирование тканей проводили с использованием специальной установки, созданной в Федеральном исследовательском центре Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород), а также специализированного программного обеспечения, сопрягающего установку с компьютером и позволяющего производить расчет действительной части диэлектической проницаемости [11, 16]. Диэлектрические характеристики кожи оценивали на глубинах от 2 до 5 мм с помощью серии зондов. Измерение у всех животных производили в одной точке, локализованной в средней части спины, на предварительно эпилированной поверхности.

Результаты обрабатывали с использованием программы Statistica 6.0.

Результаты и обсуждение

Результаты проведенного исследования позволили показать возможность осуществления анализа диэлектрических свойств кожи крыс in vivo с помощью изучаемого программно-аппаратного комплекса. Установлено, что на изучаемых глубинах (2–5 мм) уровень диэлектрической проводимости подповерхностных структур составляет менее 9 усл. ед. и монотонно возрастает с увеличением глубины зондирования (рис. 1).

---

Рис. 1. Профиль диэлектрической проницаемости кожи и подкожных структур здоровых крыс по данным ближнепольного СВЧ-зондирования

---

С учетом того, что каждое значение является кумулятивным, т.е. отображает проводимость всего подповерхностного слоя вплоть до указываемой глубины (рис. 2), а максимальный уровень параметра регистрируется на расстоянии 5 мм от поверхности кожи (см. рис. 1), это отражается и в характеристике используемого метода зондирования как ближнепольного.

---

Рис. 2. Схема ближнепольного резонансного СВЧ-зондирования подповерхностных структур D — диаметр зондирующего датчика; ε(r) — ди­элект­ри­ческая проводимость зондируемой среды; σ(r) — проницаемость зондируемой среды

---

Уровень изучаемого параметра на минимальной и максимальной глубинах различается в 2,55 раза (p<0,01), что обусловлено оценкой более глубоких структур у крыс при проведении СВЧ-профилирования датчиком, осуществляющим зондирование на глубине 5 мм. Это объясняется и тем обстоятельством, что каждое последующее значение диэлектрической проводимости включает предыдущее в совокупности со вкладом, вносимым тканями, располагающимися в пределах от предшествующего до текущего уровня зондирования [11, 19–21].

На основании данных, полученных от интактных крыс, построена линейная математическая модель изменения диэлектрической проницаемости кожи животных, достаточно полно описывающая ее подповерхностный профиль (коэффициент детерминации — 0,91). Уравнение линейной регрессии, позволяющее прогнозировать значение диэлектрической проницаемости на иных глубинах зондирования, представлено в следующем виде:

y=1,5x+0,455,

где x — глубина зондирования (в мм), у — уровень диэлектрической проницаемости на данной глубине (в усл. ед.).

Данная модель может быть применена для расчета физиологического уровня диэлектрической проводимости подповерхностных структур кожи крыс, который возможно использовать в качестве ориентира с целью выявления ее изменений, вызванных различными патологическими процессами.

На втором этапе с помощью ближнепольного СВЧ-зондирования были изучены особенности глубинной структуры диэлектрических свойств кожи и подкожных тканей у животных, которым предварительно нанесена термическая травма (в форме контактного термического ожога на предварительно эпилированной поверхности кожи спины). Оценка диэлектрической проводимости подповерхностных тканей экспериментальной ожоговой раны осуществлялась сразу после нанесения травмы и через 1 сут после ее моделирования. Это позволило сформировать глубинные профили кожи по данному параметру в динамике эксперимента и в сравнении с интактной биотканью (рис. 3).

---

Рис. 3. Профиль диэлектрической проницаемости ко­жи и подкожных структур крыс в норме и при моделировании ожога по данным ближнепольного СВЧ-зон­дирования

---

Установлено, что диэлектрические показатели ожоговой раны существенно отличаются от свойств интактной покровной ткани, причем эти сдвиги характеризуются нарастанием действительной части диэлектрической проводимости среды в обеих временныʹх точках наблюдения. Так, сразу после нанесения термической травмы наибольшие изменения отмечены в ближайших подповерхностных слоях кожи (2–3 мм), в которых рассматриваемый показатель многократно возрастает относительно значений у интактных крыс (в 7,46 и 9,47 раза на глубинах зондирования 2 и 3 мм; p<0,05 для обоих случаев), составляя около 24,0 и 25,8 усл. ед. соответственно. Это может быть обусловлено быстрым интенсивным локальным прогревом тканей на небольшой глубине сразу после воздействия, тогда как на более глубокие слои данный эффект еще не распространился.

В дальнейшем (через 1 сут после воспроизведения ожога) глубинный профиль диэлектрической проводимости кожи существенно трансформируется (см. рис. 3). В этот период происходит углубление поражения подповерхностных структур, что сопровождается снижением уровня изучаемого параметра на минимальных глубинах (2–3 мм) с его нарастанием относительно интактной кожи на расстоянии 3,5–5,0 мм под поверхностью кожи (p<0,05 для всех случаев). При этом максимум диэлектрической проводимости зафиксирован на глубине 4 мм, что в наших экспериментах соответствовало зоне наибольшего повреждения. Это свидетельствует о частичном охлаждении поверхностных слоев кожи с одновременным перегревом более проксимально лежащих и, следовательно, смещением фокуса повреждения на более глубоко расположенные слои. Представленные данные наглядно свидетельствуют о возможности мониторинга глубины термического поражения тканей и создают экспериментальный базис для тестирования процессов углубления ожога в посттравматическом периоде.

Таким образом, проведенные с помощью ближнепольного резонансного СВЧ-зондиро­вания исследования позволили установить картину глубинного распределения диэлектрической проницаемости кожи здоровых животных (крыс линии Wistar), которая может служить физиологическим СВЧ-паттерном для изучения подповерхностных тканей, в том числе различных слоев кожи и ближайших подкожных структур. Выявлено, что действительная часть диэлектрической проницаемости кожи и подкожных структур монотонно возрастает при увеличении глубины зондирования в диапазоне от 2 до 5 мм с шагом от 0,5 до 1 мм. Это позволило создать линейную математическую модель глубинной структуры распределения уровня изучаемого показателя.

С ее помощью можно прогнозировать в дальнейшем уровень диэлектрической проницаемости в более глубинных подповерхностных структурах кожи.

Выявлено, что ткани ожоговой раны демонстрируют более высокий уровень действительной части диэлектрической проводимости по сравнению с интактной кожей, причем эти сдвиги имеют временнýю динамику. Так, сразу по нанесении ожога превалирует изменение параметра в поверхностных слоях биоткани, а через одни сутки — в более глубинных.

Заключение

Выявленная стабильность паттерна СВЧ-профиля дает возможность применения метода ближнепольного резонансного СВЧ-зондирования кожи в оценке ее структуры в норме и при локальных изменениях (доброкачественные и злокачественные новообразования, ожоги и др.), а полученное уравнение может служить ориентиром для последующего изучения диэлектрических характеристик покровных тканей в разноплановых экспериментах.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследование не финансировалось какими-либо источниками, и конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.