НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

НТУУ “КПІ”

Бабіч Юрій Феодосійович

УДК 615.47

Візуалізація просторово-часових електричних параметрів шкіри для виявлення їх характерних змін

Спеціальність 05.11.17 - медичні прилади і системи

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті прикладних проблем фізики та біофізики НАН України.

·

Офіціні опоненти:

·

·

Провідна установа:

·

Захист відбудеться 11. 06. 2001 р. о 16-00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.19 Киівського Національного технічного університету “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус 12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ННТУ “КПІ”.

Автореферат розісланий 10 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н. Зубчук В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Галузь дослідження електричних характеристик шкіри залишається недостатньо розробленою і технічно забезпеченою, незважаючи на важливість шкіряного покрову з своїми специфічними хворобами і численними функціями комукативності, регулювання стану внутрішніх систем організму людини.

Існуючи методи електродермальних вимірювань (електротопічні дослідження в неврології, електропунктурна діагностика) дають фрагментарну інформацію, не забезпечують достатнє відтворювання результатів і, головне, не дозволяють одержувати детальне зображення рельєфу електричних параметрів шкіри (РЕПШ), яке давало би можливість оцінювання його структури, достовірного та повного виявлення феноменологічних рис та інформаційних ознак в нормі і при патології. Основною перешкодою в цих дослідженнях є технічні труднощі якісної та кількістної реєстрації РЕПШ, а саме: забезпечення його неруйнуюче зчитування і досить високу просторово-часову роздільну здатність. З другого боку, недостатня топологічна і параметрична визначеність об”єктів пошуку {таких, як, наприклад, акупунктурна точка (АТ)} утруднюють постановку технічного завдання на розробку адекватної інформаційно-вимірювальної системи.

Таким чином, розробка апаратурно-методичного забезпечення візуалізації просторових параметрів шкіри і дослідження їх характеристик, динаміки змін і виділення найбільш інформативних ознак і закономірностей цих змін є, безумовно, актуальною проблемою.

Мета і задачі дослідження. Створення апаратурно-методичного за без-печення візуалізації просторово-часових електричних характеристик шкіри для оцінки інформаційних ознак, змін цих характеристик в нормі, у відповідь на подразники, і при деяких захворюваннях.

Предмет дослідження - електричні характеристики шкіри і технологія їх вимірювання.

Об’єкт дослідження - первинний перетворювач електричних просторових параметрів шкіри; РЕПШ.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі основні задачі:

1) Розробити первинний перетворювач РЕПШ.

2) Створити вимірювально-інформаційний комплекс (ВІК) для зчитування, обробки та відображення РЕПШ (“ВІК РЕПШ”).

3) Дослідити вплив факторів процедури зчитування на відтворення зображень РЕПШ.

4) На прикладах лабораторно-кліничних досліджень оцінити можливості “ВІК РЕПШ” щодо виявлення найбільш інформативних параметрів РЕПШ, зокрема біологічно активних зон і їх властивостей.

5) Вивчити на основі отриманих послідовностей зображень динамічні характеристики РЕПШ.

6) Оцінити методами статистичного аналізу отримані результати.

Методи дослідження. При розробці первинного перетворювача РЕПШ було використано основні положення теорії електронно-променевих перетворювачів, метод вібруючого зонда. Було оцінено ступінь впливу окремих факторів (механічного, електричного, електрод-електролітного, фізіологічних властивостей шкіри) на відтворювання РЕПШ. Вивчено статичні і динамічні характеристики РЕПШ людини в нормі, під впливом механічних та електричних подразників і при окремих патологічних станах. При аналізі цифрових зображень РЕПШ були використані методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в даної роботі було запропоновано, теоретично обґрунтовано і апробовано принципово новий підхід до проблеми візуалізації просторово-часових електричних характеристик шкіри. А саме:

·

·

·

·

·

1) природна автохвиля на імпедансному рельєфі (ІР);

2) механо-індуцьована автохвиля на ІР;

3) нестаціонарне розщеплення відгуку ІР у відповідь на механічне

подразнення;

4) автохвильовий відгук ІР на дію електромагнітного випромінювання

(ЕМВ) міліметрового діапазону надслабкої інтенсивності.

·

·

Викладене вище додатково підтвердило високий ступінь відтворюваності вимірювань РЕПШ.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена апаратура та методика візуалізації РЕПШ вперше дозволяє одержувати не тільки якісні, але і кількісні характеристики шкіри, що можуть бути використані для модернізації й об'єктивізації цілого ряду біомедичних досліджень в галузях: неврології, дерматології, електропунктурної діагностиці тощо. Отримано нові знання фундаментального характеру щодо природної і індукованої динаміки РЕПШ, що дозволяють створювати принципово нові методи ранішньої діагностики захворювань, проводити більш ефективні дослідження впливу електромагнітних та інших факторів навколишнього середовища на людину, розвинути принципово нове покоління систем і методів електробіоимпедансної комп'ютерної томографії тощо. Виявлені феномени індукованої динаміки РЕПШ можуть бути використані для цілей організації нових типів ефективного біологічного зворотного зв'язку і, таким чином, сприяти вирішенню актуальних проблем контрольованої терапії будь-якого типу.

Експериментальні зразки приладів здобули позитивні оцінки у ряді лабораторно-клінічних випробуваннях, проведених в Інституті нейрохірургії АМН України, УНДІ травматології та ортопедії, Київській міській лікарні швидкої допомоги, Інституті онкології АМН України.

Особистий внесок здобувача. Ідея дослідження, розробка приладів, мето-дика дослідження і всі представлені результати повністю належать авторові.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи апробовані на Конференції НТТ РЕЗ ім. Попова (Київ, 1984г.); конференції “Неруйнуючий контроль немагнітних і неелектропровідних матеріалів” (Івано-Франківськ, 1986); II European Congress on Acupuncture (Sevilla, Spain, 1993) - 3 доповіді; European Congress of Radiology (Vienna, Austria, 1993, 1995, 1997) - по 2 доповіді на кожному; XXV General Assembly of International Union of Radio Science (Lille, France, 1996); IV European Conference on Engineering and Medicine (Warsaw, Poland, 1997); World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering (Nice, France, 1997); II International Conference on Bioelectromagnetism (Melbourne, Australia, 1998); European Medical and Biological Engineering Conference (Vienna, Austria, 1999); Семінарі приладо-будівного факультету НТУУ (КПІ) (Київ, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації було опубліковано 5 статей, 5 авторських свідоцтв СРСР, тези понад 20 доповідей у працях міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4-х розділів, висновків, списку літератури (171 найменувань) і додатків. Обсяг роботи - 141 с. машинописного тексту, в тому числі 60 рисунків і 3 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі дисертації наводиться критичний огляд літературних даних щодо сучасного стану техніки електробіоімпедансометрії, її переваг і недоліків, що склалися на сьогоднішній день, можливості і перспективи її застосування.

Технологія електробіоимпедансометрії, як метод виміру анатомічних характеристик біообъекта і реєстрації/моніторингу фізіологічних подій, оперує, відповідно, із абсолютними значеннями імпедансу Z0 органів /біологічних тканин (БТ) Zб і його збільшеннями Z: Zб = Z0 + Z, де Z може змінюватися під дією різних факторів: геометрії біооб’єкта, його температури, біохімічних процесів і ін. Природа цих змін ще не цілком вивчена, однак сама ідея довела свою плодотворність. Техніка електро-біоімпедансометрії відрізняється неінвазивністю, простотою, універсаль-ністю, відносно недорога і широко використовується в медичній практиці і наукових дослідженнях. Для щільності струму, меншої, чим кілька одиниць мА/см2, електричні властивості біотканини вважаються лінійними, що підкоряються закону Ома. Характерними недоліками методу електробіоі-мпедансометрії є невисока просторова роздільна здатність, недостатня відтворюваність вимірів і специфічность діагностики.

Особлива увага надається тим методам вимірювання біоімпеданса, що дозволяють одержувати дані про його спектральні характеристики. Більшість електричних параметрів БТ, що характеризують нормальні і патологічно змінені тканини, відносять до частотного діапазону < 10 МГц. Вимір активної складової імпедансу БТ -R- на низьких частотах (< 10 кГц) подає інформацію переважно про міжклітинне середовище, тоді як вимір ємнісної складової С- про стан клітинних мембран. Інформація про внутрішньоклітинні структури починає проявлятися все більш із збільшенням частоти і, отже, найбільш інформативними є параметри R і C на частоті < 5-10 кГц і модуль імпедансу на частоті > 0,5 - 0,8 МГц, тобто в області - і -дисперсії.

Шкіра, а також контактний імпеданс шкіра-електрод, можуть бути приблизно представлені еквівалентною електричною схемою у виді резисторів, конденсаторів і джерел електрорушійної сили. Такі схеми, однак, є тільки моделями, що корисні для оцінки і порівняльного аналізу експериментальних даних. Елементи таких еквівалентних схем не є постійними величинами (особливо контактний імпеданс), але залежать від температури, щільності і частоти струму, типу електродів і типу електроліту (рН шкіри, наявності та составу електропровідного крему, фізіологічного розчину і т.п.). 3- 5% варіації імпедансу ділянки електрод-шкіра вже приводять до суттєвих перекручувань зображення при рішенні задачі реконструкції в системах електробіоімпедансної томографії. Динаміка РЕПШ є джерелом невизначеної методичної похибки і для інших існуючих методів електричних транскутаних досліджень. Наприклад, при використанні методу Фоля істотне руйнування природного РЕПШ відбувається вже в першій же спробі вимірювання електропровідності такого просторово невираженого об'єкта виміру, як АТ. Відомі спроби рішення проблеми реєстрації просторового розподілу електроімпедансних характеристик шкіри за допомогою матриці електродів з кроком декілька мм виявилися не досить адекватними, зокрема через недостатню просторову роздільну здатність для відображення реальних феноменологічних властивостей ІР шкіри і - тим більше - його динаміки.

Таким чином, основною перешкодою для розвитку методів електро-шкіряних досліджень є відсутність апаратурно-методичного забезпечення візуалізації РЕПШ з достатньою просторово-часовою здатністю та відтворюванністю результатів вимірювання.

Другий розділ присвячен розробці оригінального первинного перетворювача РЕПШ, а також “ВІК РЕПШ”. Сканування шкіри виконується через мультімікроелектродну пластину - матрицю М (рис.1) з кроком електродів 0,1 мм, що забезпечує необхідну надмірність просторової роздільної здатності. Одна сторона матриці М приєднується до шкіри, тоді як протилежна сторона є мішенню спеціально розробленої електронно-променевої трубки (ЕПТ) - скануючого первинного перетворювача (ПП), який послідовно підключає електроди матриці до блоку вимірювання “ВІК РЕПШ”. Таким чином, також виключається необхідність механічного переміщення детекторного електроду по шкірі, вирівнюються умови механічного і електричного контактів “електрод - шкіра” і забезпечується достатня швидкодія сканування. Поточні значення падіння напруги на БТ - спільно з даними поточної координати (ВС) і генератора Uк - подаються далі на блоки опрацювання і відображення “ВІК РЕПШ”.

Рис. 1. Спрощена схема первин-ного перетворювача РЕПШ. М - мішень (мультіелектродна матриця); К - колекторна сітка; А - анод, ФС - фокусуюча система; ВС - відхиляюча система; Zп, Zк - зовнішні навантаження ланцюгів елект-ронного променя і колекторної сітки, Zб- повний опір БТ у точці сканування; Еа, Ек - джерела постійного зміщення катоду і колекторної сітки; Uк - джерело змінної напруги; іп, ік, іб - струми електронного променя, колекторної сітки і БТ.

Для пояснення принципу дії ПП розглянемо вольтамперну харак-теристику (ВАХ) (рис. 2) провідникової мішені М при вторинної емісії. Струм через БТ іб = (д - 1)іп , де д - діючий коефіцієнт вторинної емісії, залежить від потенціалу колектора відповідно до ВАХ мішені. При відсутності навантаження (Zб = ) ВАХ мішені визначається пунктирною кривою на рис. 2, толи як ВАХ під навантаженням визначається сумою (з відповідним знаком) характеристики провідності БТ іб/iп та ВАХ мішені без навантаження, що відображено безперервною лінією на рис. 2.

Режим вимірювання по змінному струму забезпечується модуляцією швидкості первинних електронів біля значень д = 1 - відповідним зсувом робочої точки до Uкр2 - це досягається за рахунок джерел Ек та Uк.

Рис.2. ВАХ мішені без навантаження (пунктир) і з навантаженням (суцільна лінія); іб/іп - відношення струму мішені до струму променя при вторинній емісії; Uм - потеціал мішені відносно катоду; Uкр1, Uкр2 - першій та другий критичний потенціали; іб/iп - характеристика провідності; Uк - сигнал модуляції напруги колектора.

Реальна залежність іб/іл = f (Uм) досліджувалась експериментально при нерухомому промені. При цьому контроль за рівномірністю розподілу щільності струму променя відбувався за допомогою спеціально модифікованого методу вібруючого зонда.

Принципову схему ПП (рис.1) представляємо у виді спрощеної еквівалентної схеми рис.3.

Рис.3. Спрощена еквівалентна схема

ПП. Ск - ємність колекторна сітка -

мішень ЕПТ; Rк - опір навантаження

колекторної сітки, іп - еквівалентний

генератор струму, П - підсилювач.

Напруга на опорі навантаження колекторної сітки URк визначається як: .

Після апроксимації залежності іб/іл = f (Uм) прямою лінією, яка проходить через рівноважний потенціал Up під кутом (рис.2), отримуємо:

По відомим значенням Zб і фазового кута елементи еквівалентної схеми - активна R і ємнісна C складові імпедансу - визначаються тривіально: R = Zбcos, С = 1/(Zб sin). Потенціал шкіри може зчитуватися безпосередньо в режимі Uк = 0.

Крім вищеописаного способу послідовного зчитування, було також розроблено спосіб рівнобіжного перетворення ІР, який виключає похибку зчитування РЕПШ, виникаючу через те, що термін сканування .0. При цьому способі процес зчитування РЕПШ здійснюється також опосередковано - через мультімікроелектродну матрицю М. Внутрішня сторона М покрита шаром діелектрика чи напівпровідника, на який періодично наноситься рівномірний заряд (по черзі +/-), потім наводиться електронно- чи фотозбуджена провідність за допомогою додаткового імпульсного випромінювача широкої спрямованості. Рельєф залишкового заряду шару, пропорційний шуканому ІР, може зчитуватися , як зазначено вище, в режимі Uк = 0.

В результаті проб і помилок були обрані такі основні характеристики діючого макетного зразка сканера:

- вимірювальні параметри РЕПШ: модуль и аргумент імпенданса в діапазоні 2-8 кГц, модуль імпеданса на 1 МГц, потенціал;

- площа ділянки, що сканується, - 2040 мм2;

- просторова роздільна здібність < 0,5 мм;

- швидкодія - до 4см/с (термін кадру ~ 30с);

- струм вимірювання ~ 1мкА.

В розділі 3 досліджуються основні фактори, що можуть впливати на відтворюванність вимірів РЕПШ. Показано, що використання мульті-електродної матриці в комплексі із скануючим ПП дає змогу усунути або значно послабити артефакти, пов'язані з переміщенням детекторного електрода по шкірі: мінливістю площі контакту електрод-шкіра, впливом механічного тиску, стабільністю електричного та механічного контакту електрод-шкіра.

Тривалість перехідних і адаптаційних процесів, викликаних приєднанням сканера до шкіри, оцінювалася по досягненню достатньо високої відтворюваності РЕПШ (коефіцієнт міжкадрової кореляції r 0,8 - 0,9) і складала в середньому 5-10 хв. За даної швидкості розгорнення вимірювальний струм щільністю ~ 4100 мкА/мм2 не приводив до помітної модифікації спектру РЕПШ у здорових випробуваних. Слабкий постійний струм (біля 10-3 мкА/мм2 ) викликав істотні зміни вихідного РЕПШ навіть у здорових випробуваних, а саме таких:

а) тривалого (> 10 хв.) зменшення (~11%) середнього рівня модуля ІР на 2 кГц, пов'язаному, ймовірно, зі зміною іонного складу міжклітинного середовища; більш, ніж триразовому зростанню дисперсії () вже через 0,5 хв. після вмикання струму; максимум гістограми значень ІР зростав приблизно в два рази, зсовувався на 0,5 і потім поступово знижувався до початкових значень як під час дії постійного струму, так і після його вимикання;

б) відносно невиражена модифікація рельєфу аргумента імпедансу - його середній рівень і змінювались лише на 1% і 3,5% відповідно. Але суттєвою інформаційною ознакою виявилась 1-2-х хв. затримка його реакції, що свідчить про те, що реакція клітинних мембран є вторинною (на зміну електролітного складу міжклітинної рідини);

в) суттєве збільшення (~15%) модуля імпедансу на 1 МГц (при незмінному середньому рівні), при чому також з помітною затримкою відносно як модуля, так і від аргументу імпедансу на 2 кГц, що у свою чергу свідчить про динаміку індукованих змін - від міжклітинного до внутрішньоклітинного рівня;

г) виражене деформування потенційного рельєфу: середній рівень зростав на ~ 30%, максимум гістограми зсовувався ( з = + 0,5 на = - 0,5). Ці зміни, на відміну від змін ІР, зберігалися і після вимикання струму.

Таким чином, виявлені фазові співвідношення між реєструємими параметрами дають можливість більш детальної оцінки відгуку БТ на слабке електричне подразнення.

Через те, що елементи досліджуваного розподілу - просторові характеристики шкіри і підшкірних тканин - апріорі неоднорідні, то і відмінності гістограм від нормального розподілу експериментальних даних значно варіюють у залежності від зони обстеження і індивідуальних особливостей шкіри та підлеглих тканин (відповідно до критерію згоди 2 вірогідність відмінності складає більш 99,8%). Проте, як показано в дисертації, зміни статистичних параметрів матриць зображень можуть використовуватися як чутливі - у манері “on line” - індикатори реакції шкіри на подразнення.

Доказано, що фактори кровопостачання, затримки подиху (<30 с), невідчутної перспірації шкіри суттєво не впливають на відтворюваність зображень РЕПШ.

Таким чином, була доведена достатньо висока відтворюваність зображень РЕПШ при обраних параметрах вимірювання, а також виявлена висока чутливість його статистичних характеристик на дію слабких подразнень.

У розділі 4 досліджено окремі статичні і динамічні параметри РЕПШ в нормі і захворюваннях неврологічного характеру, зони гіперестезії, а також як відгук на механічне подразнення і дистанційне електромагнітне випромінювання міліметрового діапазону.

При обстеженні паравертебральних зон здорових осіб і осіб із неврологічними хворобами було виявлено, що в практично здорової людини ІР шкіри ліворуч і праворуч має однотипний характер, що наближається до симетричного. У хворих з явищами неврита чи невралгії відзначаються істотні аномалії ІР шкіряної проекції відповідного периферичного стовбура, пропорційні ступеню захворювання: осередкове зростання пікових і, особливо, середніх значень електропровідності. Повторне сканування тих же ділянок дозволило зробити висновок про те, що переміщення сканера по ходу ураженого нерва дає можливість відслідковувати не тільки ступінь дегенеративно-дистрофічних процесів у нервовому стовбурі, але і поширення репаративно-регенеративних процесів в ньому.

Продемонстровано можливість об'єктивного виявлення і оцінки зон гіперестезії в комплексі прийнятих електричних параметрів і додадково розрахованому параметрі Кр, що визначається відношенням модулів імпедансу на 2 кГц і 1мГц (Kp = Z2кГц/ Z1МГц:). Кр є аналогом відомого коефіцієнта поляризації ( за Тарусовим), що характеризує фізіологічний стан БТ. Зокрема показано, що:

а) стан гіперестезії приводить до істотної асиметрії рельєфу всіх електричних характеристик порівняно з симетричною ділянкою з нормальною чутливістю. Відзначена приблизно дворазова зміна усіх параметрів в точці максимальної чутливості;

б) отримані дані про розподіл модуля імпедансу в діапазоні 2 кГц свідчать про те, що в зоні гіперестезії змінюється електролітний склад міжклітинної рідини та/або розширюються міжклітинні проміжки. Ще більш помітні зміни - за даними аргументу імпедансу на 2 кГц - очікуються на рівні клітинних мембран. Матриці зображень потенційного рельєфу відрізняються більшою дисперсією і корелюють з матрицями Z2кГц (r = 0,65 - 0.76). Зона гіперестезії виділяється також на зображенні Z1МГц, однак оцінка цього зображення утруднена через морфологічні неоднорідності досліджуваної зони;

в) розподіл Кр в області м'яких тканин нормальної чутливості відріз-няється рівним рельєфом з значеннями 1000 1100, що відповідає відомим даним. В зоні гиперестезії Кр знижується до значень 600-800.

У рамках лабораторно-кліничних іспитів приладу було досліджено також окреме анатомічне утворення - мочка вушної раковини, а також інші біологічно активні ділянки шкіри. Імпедансні рельєфи мочок здорової людини відносно гладкі та симетричні.

На рис.4 а, б) представлені рельєфи повної провідності Y (= 1/Z) лівої і правої мочок вуха хворого з однобічною патологією (зокрема поразка зору через аденому гіпофиза).

Рис.4. Рельєф повної провідності Y лівої (а) та правої (б) мочок вушної раковини хворого.

На рис.4 виділяються:

· зона значно підвищеної провідності площею 5-10 мм2 з крутими фронтами в області проекції зору ("точка ока" АТ 8) на лівій мочці (особливо в порівнянні з симетричною зоною мінімальної провідності на правому боці);

· несподівана електроаномалія в області АТ 726 на правої мочці площею біля 4-6 мм2 (яка знайшла своє пояснення наступного дня в клінічно вираженій картині переважно правобічного тонзиліта);

· цифрові показники провідності: Ymax/Yav = 2,8/1,8 на лівому і 3,7/0,06 на правому боці. Особливо відрізняються середні значення на лівому боці - приблизно 50-ти кратне збільшення, тоді як на правому - менш 2-х кратного, порівняно із здоровим випробуваним.

При обстеженні зони АТ GІ4 хворого з виразкою шлунка була зареєстрована природна автохвильова структура приблизно постійної амплітуди (~10-20% від середнього значення) і швидкістю від майже нульової до 5-7 мм/хв. Профіль цієї автохвилі відповідає відомим типам автохвильових режимів у активних середовищах з дифузією, наприклад хвилі переключення. В експериментах на здорових випробуваних у відгук на спрямоване механічне подразнення зони АТ GІ4 спостерігалося просторове розщеплення відгуку ІР на "нормальний" - по лінії подразнення і "парадоксальний" відгук автохвильового типу (у декілька разів більшої амплітуди, ніж “нормальний”), що значно відхилявся від лінії подразнення. Через 4-5 хв. парадоксальний відгук стабілізувався приблизно у тім же напрямку, що і вищезгаданий фронт природної автохвилі (орієнтовно, уздовж ліній натягу шкіри).

При дослідженні реакції ІР на дистанційний вплив ЕМВ міліметрового діапазону нетеплової інтенсивності (генератор “Порог-1”) було зареєстровано феномен радикальної метаморфози ІР зони МС7 у відгук на 5 хв. опромінення зони МС9, причому максимальні зміни спостерігалися в моменти on/off. Ще до початку тесту ЕМВ на зображеннях ІР МС7 чітко спостерігалися дві просторові структури (кластери) площею 2-4 см2, які повільно переміщалися зі швидкістю меншою, чим 1 мм/хв. Вмикання ЕМВ привело до зникнення (нівелювання) однієї з структур і тригерного зростання швидкості іншої до 7 мм/хв. Під час дії ЕМВ ця структура продовжувала рухатися в тому ж напрямку, але з значно меншою швидкістю. Вимикання ЕМВ приводило до зупинки переднього фронту структури, стрибку її заднього фронту в зворотному напрямку (швидкість ~ 7 мм/хв) і наступному повільному відновленню другої структури (що зникла при вмиканні ЕМВ).

Зареєстровані феномени автохвильової активності ІР, ймовірно, є макроскопічним проявом процесів міжклітинної Ca2+ сигналізації. При цьому орієнтація і напрям руху зареєстрованих структур відбивають морфофункціональну анізотропію обстежених ділянок: градієнти концентрації міжклітинних щілинних контактів, орієнтацію міжклітинного матрикса, а також наявність 2-3 активних центрів в районі обстеження.

Висновки

1. Обговорено сучасні апаратурно-методичні засоби і методи електродермальних досліджень. Показано, що відомі методи не дозволяють отримати достатньо повну інформацію та її відтворення про структуру і динаміку РЕПШ для цілей медичних досліджень.

2. Запропоновано, теоретично обгрунтовано і апробовано принципово новий підхід до проблеми візуалізації РЕПШ. Розроблена та реалізована базова модель первинного перетворювача у вигляді спеціалізованої електронно-променевої трубки з мультімікроволоконою матрицею та запропоновано ряд ії модифікацій. На базі розробленого первинного перетворювача створено вимірювально-інформаційний комплекс для зчитування, накопичення, обробки і відображення РЕПШ.

3. Застосування розробленого комплексу дало можливість якісно і кількісно реєструвати рельєфи чотирьох електричних параметрів шкіри: модуля і аргумента імпеданса на частоті 2 кГц; модуля імпеданса на частоті 1 МГц; потенціала. Створена технологія дозволяє виключити артефакти,

і були пов”язані з механічним впливом детекторного електроду на РЕПШ (які дотепер не оцінювалися за відсутністю відповідних вимірювальних засобів), і забезпечує досить високу відтворюванність зображень РЕПШ.

4. За допомогою створеного ВІК РЕПШ уперше отримані зображення шкіри в електричних параметрах з високою просторовою роздільною здатністю (< 0,5 мм). Це дало змогу виявити біологічно активні зони (зокрема проекції болю, гіперестезії, акупунктурних точок) та їхню просторову динаміку. Досить висока часова роздільна здатність ВІК дозволила виявити і описати раніше невідомі феномени динаміки імпедансного рельєфу біологічно активних зон шкіри: природну і механо-індуковану автохвилі, нестаціонарне розщеплення відгуку ІР при механічному подразненні шкіри, автохвильовий відгук ІР на дію надслабкого ЕМВ міліметрового діапазону.

5. Визначені статистичні індикатори відсутності чи наявності відгуку РЕПШ на дію слабкого зовнішнього впливу, зокрема постійного струму та ЕМВ міліметрового діапазону нетеплової інтенсивності.

6. Розроблене апаратурно-методичне забезпечення візуалізації і аналізу РЕПШ, отримані нові знання про його феноменологічні характеристики можуть бути використані як для удосконалювання ряду існуючих методів біомедичних досліджень, так і для створення нових, наприклад: ранішньої діагностики захворювань, оцінки впливу електромагнітних і інших факторів навколишнього середовища на організм, електробіоім-педансної комп’ютерної томографії, контрольованої терапії будь-якого типу.

Основні результати дисертації викладено у роботах

1. Y.Babich. Quasistationary and autowave structures of the skin electrobioimpedance relief // Доповіді НАНУ. -№4, 2000. - С. 199-204.

2. J.F.Babich. Impedanz-Bild (Introscopie) von biologischen Gewebe Ver-fahren//Deutsche Zeitschrift fr Akupunktur. -35, №4. -1992. - Ss.93-97.

3. J.F.Babich. Impedanz-Bild von biologischen Gewebe Verfahren // Deutsche Zeitschrift fr Akupunktur. - 35, №5. - 1992. - Ss.103-109.

4. Бабич Ю.Ф., Павлюченко Ю.Ф. Расчет распределения плотности тока в электронных пучках с аксиальной симметрией // Радиоэлектроника, Изв.ВУЗов. - Т.11, 12. - 1968. - С. 1312-1315.

5. Бабич Ю.Ф. Разработка методики автоматизированной электро-пунктурной диагностики психофизиологических состояний // В сб.: Вопросы диагностики при профотборе на предприятиях уголь-ной промышленности. Вып. 6, Москва-1989. - С. 140-143.

6. А.с. 1215704 СССР, МКИ А 61 H 39/00.Устройство для электро- пунктуры // Ю.Ф.Бабич (СССР). - № 3736192/28-14; Заявл. 28.02.84; Опубл. 07.03.86г., Бюл.№ 9. - 2 с.

7. А.с. 1382295 A СССР, МКИ Н 01, J 31/26. Способ преобразования информации // Бабич Ю.Ф.(СССР). -№4070280/24-21. Заявлено 21.04.86; Опубл. ДСП. - 1986. - 3 c.

8. А.с. 1570059 СССР, МКИ H39/00, А 61 В 5/05. Устройство для электрофизиологических исследований // Ю.Ф.Бабич (СССР).

- № 4265800/30-14; Заявл. 19.06.87; Опубл. ДСП. - 1988. - 5 c.

9. А.с. 1438519 СССР, МКИ H 01, J 31/06, B 5/04. Устройство для измерения распределения потенциалов на поверхности объекта // Ю.Ф.Бабич (СССР). -№4094822/24-21; Заявл. 15.07.86; Опубл. ДСП. - 1987. - 4 c.

10. А.с. 1543592 СССР, МКИ А 61 В 5/05, А 61 Н 39/02. Устройство для считывания биопотенциала // Ю.Ф.Бабич (СССР).

- № 4082191/28-14; Заявл. 19.05.86; Опубл. ДСП. - 1987. - 4 c.

12. Babich Y.F. The skin 2D electrobioimpedance response to a remote non-thermal mm-EMF exposure // Proc.of 2d Int.Conf. on Bioelectromagnetism, IEEE. - Melbourne. - 1998. - P. 79-80.

13. Y.F.Babich. Bio-impedance imaging: New diagnostic criteria // 8th Eur. Congress of Radiology. Vienna. - 1993. - P. 393.

14. Y.F.Babich. Imagen de la bioimedancia electrica: nuevos fenomenos de la estructuracion espaciotemporal de la piel // II Congreso Europeo de Acupunctura. Sevilla. -1993. - P.19, та інші.

А Н О Т А Ц І Я

Бабич Ю.Ф. Візуалізація просторово-часових електричних параметрів шкіри для виявлення їх характерних змін. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - медичні прилади й системи. - Інститут приклад-них проблем фізики і біофізики, НАН України, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено розробці нового напряму технології медичних зображень - апаратурно-методичному забезпеченню візуалізації рельєфу електричних параметрів шкіри. Розроблено принципово новий тип сканера, на базі якого було створено вимірювально-інфомаційний комплекс (ВІК). За допомогою ВІК були виявлені і описані біологічно активні зони (зокрема: зони проекції болю, гіперестезії, акупунктури), а також феномени природної і індукованої автохвильової активності імпедансного і потенційного рельєфів шкіри.

Ключові слова: візуалізація, діагностика, медичні зображення, шкіра, електричний імпеданс, електричний потенціал, автохвилі, біль, гіперестезія, біологічно активні зони.

АННОТАЦИЯ

Визуализация пространственно-временных электрических параметров кожи для выявления их характерных изменений. - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - медицинские приборы и системы. - Институт прикладных проблем физики и биофизики НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке нового направления технологии медицинских изображений - аппаратурно-методическому обеспечению визуализации рельєфа электрических параметров кожи. Разработан принципиально новый тип сканера, на базе которого был создан измерительно-инфомационный комплекс (ИИК). С помощью ИИК были выявлены и описаны биологически активные зоны (в частности: зоны проекции боли, гиперестезии, акупунктуры), а также феномены естественной и индуцированной автоволновой активности импедансного и потенциального рельефов кожи.

Ключевые слова: визуализация, диагностика, медицинские изображения, кожа, электрический импеданс, электрический потенциал, автоволны, боль, гиперэстезия, биологически активные зоны.

SUMMARY

Babich Y.F. Visualization of the skin spatial&temporal electrical parameters to reveal their characteristic changes. - Manuscript.

Thesis for a candidate’ degree by specialty 05.11.17 - medical instruments and systems. - Institute for applied physics and biophysics, National Academy of Science of Ukraine, Kiyv, 2001.

The dissertation is devoted to developing a novel technology of medical imaging, i.e. an instrumental and methodological basis for visualization the skin spatial and temporal electrical parameters (SSEP). An original primary SSEP transformer and its modifications were developed which based on specially elaborated raster electron-beam converter tubes with a multimicroelectrode matrix as a target. The opposite side of the matrix is to be put in contact with the skin area of interest. Readout parameters: module of impedance at 2 kHz and 1 MHz, argument at 2 kHz, potential. Spatial resolution < 0.5 mm, scan time < 30 s (at the 2040 mm2 scan area). The developed primary transformer was used for elaborating a proper measurement and information system (“MIS SSEP”). An influence of various measurement factors at the SSEP reproducibility has been investigated. A few reliable and very sensitive statistical signs to detect very small, visually undetectable changes in the SSEP image sequences have been found out. Specifically, it became possible not only to reveal the SSEP response to a 20-30 s. holding one’s breath, but also to differentiate intercellular from intracellular induced processes; input of the D.C. as small as 0.001 mkA/mm2 caused marked changes of the SSEP.

For the first time, there have been revealed, monitored and described some biologically active skin zones (pain projections, hyperaesthesy areas, areas of acupuncture points). Phenomena of the SSEP spatial&temporal structuring have been discovered: an initial solitone autowave at the SSEP; mechanically and non-thermal mm-EMF induced autowaves: non-stationary splitting of the SSEP response to a directed mechanical irritation. Hypothesis of calcium waves of intra- and intercellular signaling as an origin of the observed effects has been proposed and analyzed.

The elaborated technology may be used for modernization of a row of bio-medical methods, e.g. in the fields of neurology, dermatology, electropuncture diagnostics, electrical bioimpedance tomography. Discovered effects make it possible to develop new methods of: earlier diagnostics, controlled therapy of any type, investigation of the electromagnetic and other factors’ influence on the organism.

Key words: medical imaging, skin, electrical impedance, electrical potential, autowaves, pain, biologically active zones, diagnostics.

Підп. до друку 28.04.2001. Формат 60х84 1/16

Ум. друк. л. 0.9. Тираж 100 прим. Зам. № 0428

_______________________________________

Тов. “Вітекс-Лтд”

01033, Київ -33, в. Саксаганського, 28.