Применение модифицированного волноводного сенсора для изучения диэлектрических характеристик эритроцитов пациентов с дисциркуляторной энцефалопатией до и после лечения

  • Е. А. Архипова Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085
  • П. С. Красов Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085
  • А. И. Фисун Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085

Анотація

В работе описывается метод КВЧ диэлектрометрии, используемый для изучения диэлектрических характеристик эритроцитов в области дисперсии свободной воды. Данный метод основан на измерениях комплексного коэффициента отражения (ККО) от короткозамкнутой многослойной структуры (волноводного сенсора), содержащей исследуемый образец, в одночастотном режиме на частоте 39,5 ГГц. В эксперименте использован улучшенный по своим точностным характеристикам волноводный сенсор. Задача нахождения комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) для данного типа сенсора решена впервые и реализуется путем решения прямой и обратной задач электродинамики с использованием численных методов. Для решения прямой задачи используется метод конечных разностей во временной области (FDTD), с применением которого в результате электродинамического моделирования находится вид функций ККО в зависимости от КДП. Обратная задача реализуется решением полученной системы нелинейных уравнений. Разработанный алгоритм позволил осуществить процедуру калибровки модифицированного сенсора, что сделало возможным его использование при исследовании диэлектрических характеристик крови. В качестве иллюстрации возможностей применения усовершенствованного сенсора приведены результаты измерения КДП эритроцитов крови пациентов с дисциркуляторной энцефалопатией до и после лечения. Обнаружено достоверное увеличение комплексной диэлектрической проницаемости, что свидетельствует об изменении состояния воды в клетках вследствие медикаментозного лечения. Данный результат демонстрирует возможность применения КВЧ диэлектрометрии в медико-биологическом эксперименте и открывает перспективы развития метода для мониторинга состояния клеток крови пациентов в ходе их лечения.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: КВЧ диэлектрометрия, волноводный сенсор, комплексный коэффициент отражения, комплексная диэлектрическая проницаемость, FDTD, эритроциты.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1. Dielectric inspection of erythrocyte morphology / Ikuya Oshige, Yoichi Katsumoto, Shinji Omori [et al] // Phys. Med. Biol. – 2008. – Vol. 53. – P. 2553-2564.

2. Time domain dielectric spectroscopy study of human cells II. Normal and malignant white blood cells / Yulia Polevaya, Irina Ermolina, Michael Schlesinger [et al] // Biochimica et Biophysica Acta. – 1999. – № 1419. - P. 257-271.

3. Kuznecov A.N. KVCh-dijelektrometrija biologicheskih zhidkostej v uslovijah narushennogo vodnogo obmena/ A.N. Kuznecov, I.I. Turkovskij, I.A. Volkova // Biofizika. - 2001. - T.46, vyp. 6. – S. 1122-1126.

4. Bao J.- Zh. Microwave dielectric measurements of erythrocyte suspensions / J. - Zh. Bao, C. C. Davis, M. L. Swicord // Biophysical Journal. – 1994. - Vol. 66. - P. 2173-2180.

5. Dielectric properties of human erythrocytes in normal and carcinogenic state / L. V. Batyuk, S. V. Gatash, O. A. Gorobchenko, O. T. Nikolov // Visn. Hark. Un-tu. Biofizychnyj visnyk. – 2002. – T. 10, vyp.1. – S. 54- 57.

6. Ocinka funkcional'nogo stanu beta-adrenoreceptoriv erytrocytiv ljudyny pry arterial'nij gipertenzii' metodom KVCh dielektrometrii' / O. V. Vysoc'ka, K. A. Arhypova, P. S. Krasov [ta in.] // Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij. – 2009. – T. 6/7, № 42. – S. 17-21.

7. Arkhypova K. A. Monitoring the functional properties of human red blood cells by means of waveguide microwave single-frequency dielectrometry method / K.A. Arkhypova // Telecommunications and Radio Engineering. – 2011. - Vol. 70, № 6. - P. 547-552.

8. Wegoleva T.Ju. Issledovanie molekuljarnyh mehanizmov dejstvija doksorubicina na sistemy vnutrikletochnoj signalizacii / T.Ju. Wegoleva, N.S. Nikitina, E.A. Ruzhel'nik // Biofizika. – 2007. – T. 52, vyp. 1. – S. 84-87.

9. Vlijanie kvercetina na dijelektricheskie harakteristiki komponent krovi insulinorezistentnyh krys / A. V. Adel'janov, T. A. Stenkovaja, O. A. Gorobchenko [i dr.] // Biofizychnyj visnyk. – 2009. – T. 1, vyp. 22. – S. 37-41.

10. Laboratornye metody issledovanija sistemy gemostaza / V. P. Baluda, Z. S. Barkagan, E. D. Gol'dberg [i dr.] – Tomsk, 1980. – 311 s. : il.

11. Krasov P. S. Odnochastotnyj reflektometr na osnove chetyrehzondovoj izmeritel'noj linii / P. S. Krasov // Prikladnaja radiojelektronika. - 2008. - № 2. - S. 188-191.

12. Krasov P. S. Instrument for measuring the complex permittivity of biological objects / P. S. Krasov, K. A. Arkhipova // Telecommunications and Radio Engineering. – 2009. - vol. 68, No. 8. – P. 727-733.

13. Sirenko Ju. K. Modelirovanie i analiz perehodnyh processov v otkrytyh periodicheskih, volnovodnyh i kompaktnyh rezonatorah/ Ju. K. Sirenko. – H. : JeDJeNA, 2003. – 231 s. – ISBN 966-8230-04-3.

14. Kobzar' A. I. Prikladnaja matematicheskaja statistika. Spravochnik dlja inzhenerov i nauchnyh rabotnikov / Kobzar' A. I. — M. : Fizmatlit, 2006. — 816 s.

15. Wegoleva T. Ju. Vybor optimal'nyh uslovij izmerenija dijelektricheskoj pronicaemosti biopolimerov volnovodnym metodom / T. Ju. Wegoleva, L. A. Rud' // Biofizika. – 1984. – № 5. – S. 903-907.

16. Arhipova E. A. KVCh dijelektrometrija sil'nopoglowajuwih sred. Istochniki izluchenija, oblast' vzaimodejstvija / E. A. Arhipova, P. S. Krasov, A. I. Fisun // Zhurnal nano- ta elektronnoi' fizyky. - 2010. – T. 2, № 1. – S. 33-41.

17. Krasov P. S. Measuring cuvette simulation of dielectrometer for permittivity investigation of high-loss substances / P. S. Krasov, K. A. Arkhypova, A. I. Fisun // Journal of Measurement Science and Instrumentation. – 2011. - Vol. 2, № 3. - P. 205-208.

18. Krasov P. S. Cuvette simulation in nonresonator dielectrometer for high-loss substance permittivity measurements / P. S. Krasov, K. A. Arkhypova, A. I. Fisun // Journal of Applied Electromagnetism. – 2011. – Vol. 13, № 3. – P. 9-14.

19. Sirenko Y. K. Modeling and analysis of transient processes in open resonant structures: New methods and techniques / Y. K. Sirenko, S. Ström, N. P. Yashina. - N. Y. : Springer, 2007. - 367 p. – ISBN 0387308784.

20. Chislennoe modelirovanie jelektrodinamicheskih harakteristik/ Ju.K. Sirenko, A.I. Vjaz'mitinova, V.L. Pazynin, K.Ju. Sirenko // Jelektromagnitnye volny i jelektronnye sistemy. - 2007. - № 1. - S. 24-34.

21. Volkov E. A. Chislennye metody: uch. posob. dlja vuzov / Volkov E. A. - 2-e izd., ispr. – M. : Nauka, -1987. – S. 64-68.

22. Kalitkin N. N. Chislennye metody / Kalitkin N. N. – M. : Nauka, 1978. – S. 44-48.

23. Shikin E. V. Krivye i poverhnosti na jekrane komp'jutera. Rukovodstvo po splajnam dlja pol'zovatelej / E. V. Shikin, A. I. Plis – M. : DIALOG–MIFI, 1996. – 240 s. : il. – ISBN 5-86404-080-0.

24. Ellison W. J. Permittivity of pure water, at standard pressure, over the frequency range 0-25 THz and the temperature range 0-100°C / W. J. Ellison // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 2007. – № 1. – P. 1-18.

25. Atlas kletok krovi i kostnogo mozga / Pod red. G. I. Kozinca – M. : Triada-H, 1998. – 160 s. – ISBN 5-86021-014-0.

26. Dolgova I. N. O vlijanii arterial'noj gipertenzii na razvitie discirkuljatornoj jencefalopatii / I. N. Dolgova, A. I. Starodubcev // Nevrologicheskij vestnik. – 2010. – T. XLII, № 3. – S. 51-54.

27. Denisov E. N. Izmenenie parametrov cirkulirujuwih jeritrocitov u bol'nyh arterial'noj gipertenziej / E. N. Denisov // Vestnik OGU. – 2006. – № 4. – S. 127–129.

28. Decreased water and potassium content in erythrocytes in essential hypertension / T. Kawarabayashi, Y. Kanayama, K. Takeuchi [et al] // Hypertension. – 1986. – № 8. – P. 618-624.
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Архипова, Е., Красов, П., & Фисун, А. (1). Применение модифицированного волноводного сенсора для изучения диэлектрических характеристик эритроцитов пациентов с дисциркуляторной энцефалопатией до и после лечения. Біофізичний вісник, 2(27). Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/2545
Розділ
Методи біофізичних досліджень