Сотрудники научно-исследовательского медико-биологического инженерного центра высоких технологий ИРИТ-РтФ Уральского федерального университета впервые в мире построили модель распределения термодинамических температур и радиояркостного излучения головного мозга на основе данных реального человека. Модель учитывает влияние кровотока и продукции метаболического тепла на гомеостатический баланс. Методика построения и результаты исследования представлены в журнале Computer Methods and Programs in Biomedicine.
Для построения модели ученые использовали МРТ-данные швейцарского Фонда по исследованию в области информационных технологий. Они проанализировали 12 срезов и рассмотрели 17 видов биологических тканей мозга конкретного человека. Помимо электрофизических характеристик, данные включают информацию о свойствах тканей мозга, таких как плотность, теплоемкость, скорость тепловыделения и теплообмена, теплопроводность.
«По закону Планка любой объект, у которого температура выше абсолютного нуля, излучает электромагнитное излучение, в том числе в СВЧ-диапазоне, — объясняет один из соавторов статьи, доцент кафедры радиоэлектроники и телекоммуникаций УрФУ Василий Борисов. — Все зависит от длины волны: чем длиннее волна, тем с большей глубины мы можем ее измерить. Например, если мы берем инфракрасный диапазон, то измеряем поверхностную температуру. Если же работаем в СВЧ-диапазоне, то можем измерить температуру на некоторой глубине внутри объекта, например, головы человека».
Температурные изменения в организме человека и колебания СВЧ-излучения мозга происходят постоянно из-за работы механизмов, регулирующих теплообмен и другие гомеостатические функции. Эти колебания являются индикатором изменений физиологических процессов в мозге.
«Мы посмотрели, как изменения тех или иных параметров модели — скорости кровотока или уровня метаболизма — влияют на флуктуацию температуры, а не на общую температуру. За счет этого можно оценивать состояние разных людей, а не выстраивать модель каждый раз под конкретного человека, — поясняет другой соавтор, доцент кафедры радиоэлектроники и телекоммуникаций УрФУ Михаил Бабич. — Нас интересуют относительные значения, потому что абсолютные могут зависеть от массы параметров и в реальности они каким-либо образом не влияют на изменение процессов или регуляцию. Мы ставили перед собой задачу не просто измерить излучение, а посмотреть, как оно связано с процессами регуляции гомеостаза».
Как показали результаты исследования, из-за неоднородности тканей головного мозга градиент температуры на поверхности головы составляет до 1,5–2 Кельвина. На градиент влияют температура окружающей среды, теплообмен, скорость кровотока, температура артериальной крови. Наибольшие изменения температуры в тканях мозга происходят при изменении скорости артериального кровотока и температуры артериальной крови. Изменения в тканях мозга, расположенных глубже 15–25 мм, не превышают 0,05 Кельвинов, что позволяет считать их термонейтральными.
«Мы не просто смогли построить термодинамическое распределение температуры, а получили оценку радиояркостной температуры для СВЧ-радиотермографа в конкретном диапазоне частот, — комментирует Василий Борисов. — Кроме того, получили оценки этой модели и верифицировали ее на реальных данных».
В дальнейшем эту модель можно будет использовать в медицинских целях — проверять данные, полученные при помощи СВЧ-радиотермографа. Сегодня, к примеру, подобную методику используют специалисты в Москве для диагностики непульпируемого рака молочной железы. С помощью разработок ученых УрФУ в будущем можно будет определять болезни мозга и исследовать центральную нервную систему человека.
«В настоящее время микроволновые радиометры предназначены для регистрации в основном усредненных характеристик радиояркостной температуры. Медицинские радиометры обычно используют в случае измерения радиояркостной температуры в живых тканях во время процедуры гипертермии и при регистрации пространственного распределения радиояркостной температуры в различных органах для обнаружения контрастов яркости при проведении хирургических операций», — рассказывает Василий.
Использование изображений МРТ для построения геометрии биологических тканей в модели головного мозга уменьшает ошибки, вызванные упрощением геометрии в схожих моделях.
«Влияние биофизических параметров на формирование микроволнового излучения головы человека мало изучено, — объясняет Михаил Бабич. — В современных публикациях, посвященных моделированию тепловых процессов мозга, как правило, представлены результаты компьютерной томографии. При использовании таких моделей в расчетах пренебрегают спинномозговой жидкостью и жировым слоем. Эти слои могут выступать в качестве „температурного барьера“. Часто предполагается также, что поверхность черепа плоская, без изгибов и бороздок».
Отметим, исследованием работы мозга научный коллектив института радиоэлектроники и информационных технологий — РтФ УрФУ занимается под руководством профессора кафедры радиоэлектроники и телекоммуникаций Владимира Кубланова. Проект «Создание методики и радиоэлектронной аппаратуры для нахождения 3D-распределения и динамики радиоярскостной и акустояркостной температуры в глубине тела человека, а также пульса, дыхания и психофизиологического состояния» в 2018 году поддержал Российский научный фонд (конкурс «Фундаментальные проблемы биомедицинской радиоэлектроники»).