СПОСОБ ИОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА НА НЕРВНОМ ВОЛОКНЕ Российский патент 1998 года по МПК G01N33/48 A61B5/00 

Изобретение относится к медицине, в частности к способам неинвазивной диагностики функционирования биологических мембран и соответствующей оценке метаболических процессов в организме на клеточном уровне.

Известен способ электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), служащий для исследования структуры сложных парамагнитных молекул, изменения их конформации в процессе химических реакций, нахождения их концентрации.

Способ ЭПР имеет в своей основе резонанс частоты процессии магнитных моментов электронов вокруг направления индукции внешнего постоянного магнитного поля (ПМП) и частоты внешнего электромагнитного поля (классическое объяснение ЭПР).

Целью изобретения является обнаружение нарушения функционирования биологических мембран и метаболических процессов в организме на клеточном уровне.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Распространение нервного импульса по нервному волокну процесс, сопровождающийся направленным движением ионов через мембрану волокна. В основном это ионы Na⁺ и K⁺. Кроме того, через мембрану постоянно движутся за счет диффузии ионы Cl^-, для которых мембрана достаточно проницаема. Имеются и другие ионы, проходящие через мембраны нервных и мышечных волокон при тех или иных физиологических процессах. Особую важность, в частности для синтеза АТФ, представляет перенос через мембрану митохондрий протонов H⁺.

Функциональное состояние мембран нервных и мышечных волокон определяется интенсивностью переноса ионов. Уменьшение интенсивности ионного переноса свидетельствует о нарушении метаболизма, снижении уровня энергетических процессов, что в свою очередь является причиной многих патологий. С другой стороны, увеличение интенсивности ионного переноса сверх нормального свидетельствует о нарушении барьерных функций мембран, что также приводит к патологическим процессам.

Поэтому выяснение уровня интенсивности ионного транспорта, как пассивного, так и активного, и сравнение его с нормой является важной диагностической задачей. При этом для целей диагностики представляет интерес селективное определение интенсивностей ионных переносов отдельных видов ионов.

Поставленная задача может быть решена способом ионного парамагнитного резонанса (ИПР), возникающего при помещении организма в постоянное магнитное поле.

Суть возникновения резонанса в следующем (фиг. 1).

Рассмотрим процесс распространения нервного импульса по нервному волокну 1, на которое воздействует ПМП. Индукция B₀ внешнего ПМП направлена аксиально волокну. Такая ситуация возникает в седалищном нерве человека, нижние конечности которого расположены вдоль оси соленоида, создающего ПМП. На ионы 2, движущиеся перпендикулярно нейромембране со скоростью V, в ПМП действует сила Лоренца F, направленная вдоль поверхности мембраны, вектор которой перпендикулярен оси волокна. Эта сила создает тангенциальную составляющую скорости движения ионов, как диффундирующих между липидными молекулами мембраны, так и движущихся в ионных каналах совместно с этими каналами. Возникает тангенциальное направление движения зарядов. Такое движение ионов создает кольцевой ток 3 в нервном волокне, имеющий максимальное значение в момент прохождения потенциала действия, так как именно в это время перенос ионов наиболее интенсивен. Токовое кольцо 3 и связанное с ним магнитное поле 4, имеющее форму тора, передвигаются по волокну совместно с потенциалом действия. Характеристикой связанного с токовым кольцом магнитного поля может служить магнитный момент P_m.

В соответствии с теоремой Лармора магнитный момент P_m будет прецессировать вокруг вектора индукции внешнего магнитного поля B₀ с ларморовой частотой ω, которую можно расчитать по формуле:

где q заряд иона, создающего кольцевой ток, m его масса. Нужно отметить, что общий магнитный момент кольцевого тока P_m представляет собой векторную сумму магнитных моментов, определяемых движением через нейромембрану различных видов ионов. Каждому виду ионов соответствует определенная ларморова частота прецессии. В таблице представлены расчетные ларморовы частоты ν = ω/(2π) для различных ионов при индукции внешнего ПМП B₀=10 мТл.

Индукция B₀=10 мТл лежит в диапазоне величин, обычно применяемых в магнитотерапевтических процедурах.

Если нервное волокно поместить в электромагнитное поле 5, то при совпадении частицы прецессии магнитного момента P_m вокруг внешнего ПМП и частоты электромагнитного поля возникает парамагнитный резонанс. Частота резонанса соответствует ларморовой частоте прецессии и является индивидуальной характеристикой движущегося через мембрану иона.

Электромагнитное поле в органе можно создать пропуская через этот орган переменный ток изменяющейся частоты. При совпадении частоты переменного тока и ларморовой частоты прецессии возникший резонанс приводит к увеличению поглощения энергии электромагнитного поля тканями органа и как следствие к увеличению импеданса тканей. Это ведет к уменьшению значения переменного тока на резонансной ларморовой частоте при данном напряжении.

По частоте, на которой происходит резкое уменьшение переменного тока, пропускаемого через орган, можно судить о виде иона, движущегося через мембрану, а по величине изменения тока об изменении интенсивности данного ионного транспорта относительно нормы.

Можно отметить некоторую формальную аналогию в явлениях ионного парамагнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса.

На фиг. 2,а показана схема регистрации ионного парамагнитного резонанса на седалищном нерве человека. Нижняя конечность 1 помещена в соленоид 2, создающий ПМП нужной индукции. Электростимулятор 3 создает чрескожно одиночные нервные импульсы, распространяющиеся по седалищному нерву. Генератор 4 предназначен для создания переменного тока с изменяющейся частотой. Величина тока регистрируется измерительным устройством А.

На фиг. 2,б показан примерный вид импеданс-спектра, т.е. зависимости величины импеданса ткани Z при прохождении нервного импульса от частоты ν. При частотах n_i наблюдается ионный парамагнитный резонанс для различных видов ионов.

Таким образом, предлагается способ, с помощью которого возможна диагностика in vivo селективности ионного транспорта через клеточные мембраны. Это позволит раскрыть истинные причины многих патологий и создать действенные методы их лечения.

Изобретение может быть использовано для диагностики функционирования биологических мембран и соответствующей оценки метаболических процессов в организме на клеточном уровне. Способ позволяет производить диагностику in vivo селективной интенсивности ионного транспорта через клеточные мембраны, что позволяет раскрыть причины патологии и создать действенные методы их лечения. В этом способе используется резонанс частоты прецессии магнитного момента, возникающего при кольцевом движении ионов в мембране нервного волокна при помещении его в постоянное магнитное поле (ПМП), вокруг внешнего ПМП и частоты внешнего электромагнитного поля. Регистрация импеданс-спектра ионного парамагнитного резонанса осуществляется при помещении нервного волокна в составе органа аксиально вектору магнитной индукции ПМП и измерении импеданса биоткани в соответствующем процессам ионного переноса ларморовом диапазоне частот. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ ионного парамагнитного резонанса, служащий для неинвазивной диагностики функционирования биологических мембран и соответствующей оценки метаболических процессов в организме на клеточном уровне, отличающийся тем, что внешнее постоянное магнитное поле (ПМП) используют для преобразования направленного радиального движения ионов через мембрану нервного волокна в направленное кольцевое движение ионов в мембране перпендикулярно волокну. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют резонанс частоты прецессии магнитного момента, возникающего при кольцевом движении ионов в мембране нервного волокна при помещении его в ПМП, вокруг вектора магнитной индукции внешнего ПМП и частоты внешнего электромагнитного поля. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для регистрации ионного парамагнитного резонанса нервное волокно в составе органа помещают аксиально вектору магнитной индукции внешнего ПМП. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что регистрацию ионного парамагнитного резонанса осуществляют путем измерения частотного спектра импеданса органа, в составе которого находится исследуемое нервное волокно.