Изучение электрофизических свойств биологических объектов, в том числе тканей организма человека, получило широкое распространение в различных областях медицинской науки и практики. Процессы внутри тканей и отдельных клеток при изменении их структуры или химического состава всегда отражают изменения электрофизических свойств изучаемого объекта [1—3].
В судебно-медицинской практике методы изучения электрофизических и биофизических изменений органов и тканей достаточно широко применяют для решения различных задач [4—9]. Наряду с другими научное и практическое применение получили методики исследований, связанные с изучением электропроводности и динамики изменения сопротивления внутри биологического объекта. Одна из них — импедансометрия — используется для определения давности наступления смерти (ДНС). Она основана на пропускании через изучаемый объект переменного тока различной частоты и регистрации соотношения активного и реактивного сопротивления [10, 11]. Импедансометрия, как и многие другие методики, связана с применением переменного тока высоких и низких частот, источники которого представляют собой сложноорганизованные и высокоточные дорогостоящие устройства [12].
Разработка и совершенствование методов определения ДНС продолжает оставаться актуальной задачей судебно-медицинской практики [13—16].
Цель исследования — оценить возможности регистрации изменений электрофизических свойств биологических тканей с использованием источника постоянного тока при работе с удельным сопротивлением, а также установить возможные регистрируемые изменения в биологических тканях при возникновении обратной электродвижущей силы и явлениях поляризации; установить параметры и методику предлагаемых методов с перспективой возможности применения в судебно-медицинской практике в целях определения ДНС, используя источник постоянного тока.
Материал и методы
На I этапе исследования в качестве образцов жировой ткани использовали жировой слой подкожной основы животного происхождения — свиной жир. По качественному составу основных жирных кислот: олеиновой, стеариновой, линолевой, пальметиновой и пальмитолеиновой — для эксперимента потенциально подходят образцы жира достаточно большого количества животных [17]. Максимально схожим с жиром человека в процентном соотношении основных жирных кислот на единицу объема является именно свиной жир, в нем меньше только содержание пальмитолеиновой кислоты [18]. Всего за период экспериментального исследования подготовили и изучили 340 образцов свиного жира двух разных животных с достоверно установленной давностью забоя. В ходе работы из общего участка, который хранился 10 сут в условиях, предотвращающих высыхание, и при постоянной температуре, приближенной к условной норме (в пределах от +18 до –21 оС), вырезали образцы размером 1×1×1 см и объемом 1 см3. Такой размер выбрали для удобства дальнейшего расчета, оценки удельного сопротивления и с перспективой последующего изучения свойств жирового слоя подкожной основы человека из области живота. Образцы жировой ткани свиньи вырезали из общего участка непосредственно перед измерениями и использовали однократно, общий фрагмент при этом хранили в прежних условиях.
Контейнер для работы с образцами изготовили из полимерного диэлектрика в виде 10 изолированных друг от друга ячеек, расположенных в ряд. Расстояние между ячейками составляет 1,2 см, что исключает возможный контакт образцов между собой и дальнейшее искажение результатов измерений. К каждой ячейке по двум противоположным сторонам закрепили проводящие пластины толщиной 0,5 мм из дюралюминиевого сплава марки 2017А, выполняющие роль контактных электродов. Выбор материала основан на пластических свойствах сплава и относительно высокой устойчивости к окислению в различных средах. Площадь контакта полностью совпадает с площадью стенки ячейки и размером боковой поверхности образца в ней; таким образом, проходящий через образец постоянный ток охватывает максимально возможный объем исследуемого между электродами материала. Перед загрузкой образцов в ячейки контейнера с дюралюминиевых пластинчатых электродов механически удалили окисную пленку, после чего их замкнули между собой для точной установки заданных параметров участка цепи с исключением потерь за счет собственного сопротивления металла электродов и всей системы в целом. В замкнутом электродами контуре всей системы после соединения при включении выставляли номинальные параметры источника питания и только после этого ячейки обезжиривали и загружали образец жировой ткани. Такой метод предварительной подготовки позволяет исключить из конечных результатов показатели сопротивления всех элементов системы и отразить только изменения внутри включенных в цепь образцов.
Исключение кожи из данного экспериментального исследования необходимо для максимально точной оценки изменений именно в жировой ткани. Такой выбор обусловлен рядом факторов. Кожа значительно отличается по строению от жировой ткани и обладает совершенно иными электрофизическими свойствами. Кроме того, на поверхности кожи даже в условиях лабораторного исследования могут оставаться следы продукции потожировых желез, что повлечет искажение полученных результатов. Наконец, кожный покров в зависимости от локализации значительно вариабелен по толщине, строению и степени влажности.
В качестве источника постоянного тока использовали систему, изготовленную на основе стандартного щелочного элемента питания с заявленным номинальным напряжением 9 В. Для подавления скачков напряжения, связанных с потерей заряда при работе элементов питания данного типа, в системе применили несколько конденсаторов различной емкости с минимальной заявленной погрешностью 5%. Получение необходимых напряжения и силы тока обеспечили добавлением стабилизатора напряжения и подстроечных резисторов как в замкнутом контуре системы, так и на выходных контактах источника. Таким образом, собранный по предложенной схеме источник постоянного тока с элементом питания позволил заведомо до измерения устанавливать необходимые параметры и получать более точные результаты в отличие от стандартных бытовых источников постоянного тока и элементов питания. Такая схема наиболее удобна в работе за счет возможности широкой настройки как силы тока, так и выходного напряжения, что необходимо при изменении показателей на различных вариантах измерительных приборов при отсутствии необходимого режима.
Все измерения разделили на два этапа. На I этапе оценивали показатели удельного сопротивления образцов свиного жира, включенных в электрическую цепь. Измерения проводили один раз в сутки с установленным режимом 20 мА на относительно доступном цифровом мультиметре, соответствующем требованиям Госреестра России. После предварительной подготовки и загрузки образцов жировой ткани в собранной системе создавали разницу потенциалов и фиксировали только начальный показатель напряжения, до видимых явлений возникающей электродвижущей силы. Кратность обновления на выбранном мультиметре составляла 4 раза в 1 с. Такой точности достаточно для фиксации начального прошедшего заряда. Аналогичным методом проводили измерения на протяжении последующих 10 сут с интервалов 24 ч. При каждом измерении использовали новые образцы, полученные от общего фрагмента жировой ткани, хранящегося при относительно постоянных условиях.
На II этапе общий принцип подготовки и загрузки исследуемого материала оставался прежним. Как и при оценке удельного сопротивления, через образцы жировой ткани пропускали постоянный ток заданных силы и напряжения, однако принцип регистрации значения параметров был совершенно иным. С учетом малого времени релаксации и перехода одного типа поляризации в другой эмпирически выбрали три временных отрезка регистрации показателя напряжения (10, 20 и 30 с) от момента создания разницы потенциалов, т.е. от подачи электрического тока. Общий принцип регистрации в этом случае был схож с круговым измерением времени секундомером. Показания напряжения в цепи фиксировали сразу в момент включения и каждые 10 с, после чего их вносили в таблицу для оценки разницы между полученным результатом и начальным показанием. Таким способом определяли возникающую внутри исследуемого образца обратную электродвижущую силу в трех периодах времени релаксации без оценки какого-либо конкретного вида поляризации между ними. Принципиально значимыми были установление степени снижения напряжения в цепи в заданный промежуток времени и оценка изменения общего характера этого снижения в зависимости от длительности эксперимента каждые последующие сутки от момента начала эксперимента.
Результаты и обсуждение
Как и в любом исследовании, провели анализ достоверности получаемых значений и обработку результатов непосредственных измерений, а также оценку погрешностей расчетов, в которых используются значения непосредственно измеряемых характеристик [19]. На I этапе исследования для определения среднего удельного сопротивления жировой ткани использовали доверительную вероятность g=0,95 и коэффициент Стьюдента t095,5=2,262. Установленная производителем погрешность измерений заданного режима на мультиметре составила 5% и была учтена при расчете результатов.
Полученные на I этапе исследования показатели удельного сопротивления и электропроводности жировой ткани позволили установить нецелесообразность дальнейшего применения этих параметров для работы. В момент начала эксперимента и первичной фиксации показателей установили значение удельного сопротивления образцов от 10 000,1 до 34 545,5 Ом. Такая вариабельность в величине сопротивления обусловлена гетерогенностью строения жировой ткани, т.е. различными количеством и объемом адипоцитов, попавших в срез образца. Схожие результаты внутри набора из 10 образцов жировой ткани получили и при последующих измерениях на протяжении всего периода экспериментального исследования. Нередко полученный результат расчета удельного сопротивления одного из образцов мог соответствовать нескольким полученным позже результатам или быть ниже их. Среднее значение из 10 образцов составило 18181,8 Ом с учетом достаточно большой относительной погрешности косвенных измерений в 28,08% на момент начала эксперимента. При последующих измерениях и расчетах сопротивления исследуемый параметр в пределах среднего значения 10 образцов жира сохранял стабильную динамику на протяжении всего периода эксперимента, снижаясь от 748,8 до 1497,1 Ом за сутки. Наблюдали стабильную динамику снижения удельного сопротивления внутри всей группы образцов, однако вариабельность показателя оставалась достаточно высокой для образцов жира по отдельности. Помимо снижения среднего удельного сопротивления снижалась также и относительная погрешность, достигая 15,45%, что при расчете абсолютного значения косвенных измерений составило 1804,4 Ом. Таким образом, анализ показателя удельного сопротивления каждого образца по отдельности и всех десяти в целом позволил установить, что величина абсолютной погрешности среднего значения нивелировала полученный из расчета результат или даже превышала его. Повышать точность таких расчетов при работе с гетерогенными структурами возможно только путем увеличения выборки исследуемого материала, что с практической точки зрения может быть необоснованно.
На II этапе экспериментального исследования при той же продолжительности наблюдения 10 сут оценка поляризации и динамика изменений электродвижущей силы внутри образцов оказалась более точной и однозначной. За основу приняли изменение электропроводности с учетом 3 периодов релаксации — 10, 20 и 30 с — и оценивали изменения с учетом процента общей потери исходного заряда внутри группы образцов. Так, при первом измерении в начале II этапа эксперимента среднее напряжение, зарегистрированное на 10 образцах, составило 0,21±0,05 мА. Данный показатель приняли начальным. В первые 2 сут наблюдения от момента начала эксперимента в 2 образцах на 1-е сутки и 3 образцах на 2-е сутки не отметили снижения заряда в первые 10 с. В остальных наблюдениях зафиксированное через 30 с напряжение каждого отдельного образца сравнили с начальным. Вычисленная между ними разница показала процент потери напряжения за счет процессов поляризации и возникшей электродвижущей силы. Таким образом, при первоначальном измерении и расчете суммарная потеря напряжения составила 1,9±0,5% от среднего значения внутри всей группы из 10 образцов, а на 2-е сутки измерения — уже 3,4±0,6%. Далее общая потеря изначального напряжения приобретала нарастающий характер, однако и погрешность при этом возрастала, но в пределах, позволяющих считать полученный результат диагностически верным. Так, на 3-и сутки установлена потеря 4,4±1,1%, на 4-е — 6,0±1,2%, на 5-е — 8,8±1,3%, на 6-е — 14,3±2,4%, на 7-е сутки — 19,4±3,6%. К 8-м суткам, исходя из расчета, потеря изначального подаваемого напряжения составила 21,7±3,7%; после оценки погрешности результата эксперимент был остановлен.
Заключение
В результате проведенных экспериментов с применением источника постоянного тока установили четкую динамику изменений в электрофизических свойствах жировой ткани животного происхождения. Полученная динамика напрямую зависела от длительности хранения объекта и, следовательно, от ДНС, так как возникающая электродвижущая сила обратного направления, даже без строгого учета времени релаксации, дает различное снижение изначально заданного напряжения в зависимости от длительности хранения объекта исследования.
Установленные изменения в дальнейшем могут быть изучены предложенным методом и на жировой ткани человека, а также закономерно соотнесены с ДНС и использованы в судебно-медицинской практике.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interest.