Застосування модифікованого хвилеводного сенсора для вивчення діелектричних характеристик еритроцитів пацієнтів з дисциркуляторною енцефалопатією до та після лікування
Ключові слова:
КВЧ діелектрометрія, хвилеводний сенсор, комплексний коефіцієнт відбиття, комплексна діелектрична проникність, FDTD, еритроцити
Анотація
В роботі описано метод КВЧ діелектрометрії, що використовується для вивчення діелектричних характеристик еритроцитів в області дисперсії вільної води. Даний метод засновано на вимірах комплексного коефіцієнта відбиття (ККВ) від короткозамкненої багатошарової структури (хвилеводного сенсора), що містить досліджуваний зразок. Вимірювання проводяться в одночастотному режимі на частоті 39,5 ГГц. В експерименті був використаний покращений за своїми точностними характеристиками хвилеводний сенсор. Задача знаходження комплексної діелектричної проникності (КДП) для даного типу сенсора вирішена вперше і реалізується шляхом вирішення прямої і зворотної задач електродинаміки з використанням чисельних методів. Для вирішення прямої задачі використовується метод кінцевих різниць в часовій області (FDTD), з використанням якого в результаті електродинамічного моделювання знаходиться вид функцій ККВ в залежності від КДП. Зворотню задачу реалізовано рішенням отриманої системи нелінійних рівнянь. Розроблений алгоритм дозволив здійснити процедуру калібрування модифікованого сенсора, що в свою чергу зробило можливим його використання при дослідженні діелектричних характеристик крові. В якості ілюстрації можливостей удосконаленого сенсора наведені результати вимірювання КДП еритроцитів крові пацієнтів з дисциркуляторною енцефалопатією до та після їх лікування. Виявлено достовірне збільшення абсолютних значень КДП, що свідчить про зміну стану води в клітинах внаслідок медикаментозного лікування. Даний результат демонструє можливість застосування КВЧ діелектрометрії в медико-біологічному експерименті і відкриває перспективи розвитку методу для моніторингу стану клітин крові пацієнтів в ході їх лікування.
Завантаження
##plugins.generic.usageStats.noStats##
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.
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
Як цитувати
ArkhypovaK. А., Krasov, P. S., & Fisun, A. I. (1). Застосування модифікованого хвилеводного сенсора для вивчення діелектричних характеристик еритроцитів пацієнтів з дисциркуляторною енцефалопатією до та після лікування. Біофізичний вісник, 2(27). вилучено із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/2545
Розділ
Методи біофізичних досліджень
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
