На сегодняшний день в медицинской науке и практике широкое применение нашли методики изучения биологических объектов, связанные с оценкой биофизических свойств и динамики их изменений [1]. Достаточно большой опыт, полученный в этом направлении медицины, уже используется в судебной медицине и может быть рассмотрен как перспективный путь решения ряда актуальных задач. В основе применяемых или рассматриваемых с теоретической точки зрения возможностей оценки биофизических изменений всегда лежит общий принцип реакции биологических объектов на проводимый электрический ток. Все указанные реакции, выявленные в динамике, перманентно или рассчитанные как теоретически прогнозируемые, обусловлены переменным содержанием макроэлементов и ионов как внутри клетки, так и в окружающем ее пространстве при разных по происхождению влияниях внешних факторов.

Как и любая научно-исследовательская деятельность, связанная с обработкой массива данных, изучение электрофизических параметров подразумевает не только ряд сложных процессов статистической обработки числовых значений видимых результатов, но и строгий контроль характеристик применяемых материалов. Как пример одного из таких исследований можно рассмотреть работу, связанную с выбором проводящих материалов, которые применяют для пропускания тока и регистрации получаемых показателей. W. Yang и соавт. [2], изучая отношение активного и реактивного сопротивления, установили, что интеграция молекул с полупроводниковыми материалами, такими как кремний и алмаз, имеет большой потенциал для разработки новых типов биоэлектронных устройств. Аналогичные исследования провели с использованием платиновых и золотых сетчатых электродов и проводниковых электролитов B.A. Boukamp и соавт. [3]. Используя относительно передовые электрокерамические материалы проводника, авторы установили взаимосвязь между формой контактной поверхности и полученными данными. Результаты опытов показали, что скорость оседания электролита на окислительном слое проводника может влиять на конечный результат числовых значений в подобных исследованиях. Несколько иной подход к оценке влияния проводимости тканей и электродов представлен J. Nielsen и T. Jacobsen [4], которые описали эффекты распределения электрического тока в тканях при использовании конструктивно отличных типов точечных и тонкопленочных электродов. N. Beitel-White и соавт. [5] оценивали свойства тканей при воздействии импульсных электрических полей, разделив основные свойства биологического объекта на проводимость, связанную с ней резистивность и поляризацию. Авторы выявили зависимость проводимости от электрического поля для всех типов рассмотренных тканей. Зависимость проводимости от величины тока была слабой для большинства тканей, за исключением интактной предстательной железы и ткани опухоли предстательной железы. Кроме того, результаты исследования показали, что различия между двумя методами анализа сопротивления были менее 10% для всех тканей за исключением ткани предстательной железы. Несмотря на количественный результат всего в 10%, была установлена явная разница в электрофизических свойствах здоровой ткани и новообразования того же органа.

Однако следует также рассмотреть и изменения свойств организма как единого целого при пропускании электрического тока и регистрации показателей сопротивления и электропроводности. Сегодня самым распространенным методом в данном направления является импедансометрия, которая применяется при комплексном, сегментарном [6—9] или изолированном исследовании тканей. H. Lukaski и соавт. [10] предложили метод измерения биоэлектрического резистивного импеданса для оценки состава тела человека. Этот метод основан на положении о том, что электропроводность безжировой ткани намного выше, чем у жира, и позволяет оценить их соотношение при использовании распространенного электроимпедансного плетизмографа с четырьмя электродами.

A. Hills и N. Byrne [11] в своей работе представили обзор сильных и слабых сторон метода многочастотного анализа биоэлектрического импеданса для контроля уровня гидратации тканей организма. В ряде исследований, проведенных в лаборатории, авторы рассматривали влияние различных факторов на надежность измерений импеданса. Были приведены результаты одного из этих исследований, отражающие время и постуральные различия, влияющие на надежность измерений импеданса.

J. Jakicic и соавт. [12] и R.E. Young и D.P. Sinha [13] предложили связать состав тела, измеренный с помощью метода импедансометрии, и этническую принадлежность субъекта, что в судебно-медицинском отношении может быть применено инверсивно для определения расы при идентификации личности.

Если в описанных выше работах организм человека рассматривают как единый объект исследований электрофизических свойств при оценке состава тела человека, то D. Bracco и соавт. [14] предложили рассмотреть вклад каждого сегмента тела в его безжировую массу. Поскольку ткани состоят из клеток и внеклеточной среды, их электрические свойства определяют свойства тканей как единого элемента электрической цепи. Внеклеточная среда состоит в основном из ионных растворов, а клетка — из клеточной оболочки и внутриклеточной среды. Клеточная мембрана представлена двойным липидным слоем и белками, и вследствие такой структуры является емкостной, накапливающей заряд, за исключением избирательной проницаемости, определяющей проводимость мембраны. Внутриклеточный материал, в свою очередь, представляет собой ионный раствор с микроскопическими структурами и белками, которые могут поляризоваться и двигаться в ответ на создаваемое электрическое поле. В судебно-медицинской практике исследования по измерению сопротивления тканей организма также находят применение, учитывая макроструктурные изменения проводящих тканей и электролитов в посмертном периоде. Такие изменения и анализ их динамики могут способствовать решению одной из актуальных проблем судебно-медицинской практики — определения давности наступления смерти (ДНС) [15].

Ю.И. Пиголкин и А.А. Коровин [16] разработали оригинальный способ оценки морфофункциональной сохранности клеток биологического материала при помощи импедансометрии. В основу исследования лег метод последовательного воздействия на объект электрического тока с частотой 1, 10 и 200 кГц с дальнейшей оценкой сохранности клеток по относительной разнице в проводимости материала на разных заданных частотах. Согласно предложенной методике, определение электрического сопротивления тканей трупа переменному току установленной частоты в использованном диапазоне позволяет определять ДНС с точностью до 3 ч в первые 2 сут. Авторами описан способ импедансной плетизмографии с применением уже существующих, распространенных в медицинской практике реографов, например 4РГ-2М. Принцип действия такого прибора основан на измерении напряжения пропорционально полному электрическому сопротивлению участков тела между измерительными электродами, размещенными на биологическом объекте в промежутке между токовыми электродами, с помощью которых производят зондирование исследуемого участка током высокой частоты постоянной амплитуды. Зондирование осуществляют с помощью генератора с трансформаторным выходом на каждый канал, где необходимую величину выходного тока устанавливают с помощью источника. Напряжение с измерительных электродов подают на вход дифференциального усилителя канала. С выхода дифференциального усилителя сигнал идет на вхо-хззззззззд детектора, а последующее низкочастотное напряжение, пропорциональное изменению межэлектродного импеданса, обусловленного пульсациями объемов крови на исследуемом участке, подается на низкочастотный усилитель. С усилителя через фильтр сигнал поступает на выход реограмм и дифференциатор и далее — на выход диффреограмм. Согласно разработанным практическим рекомендациям, предлагают применять методику на месте происшествия в пределах двух диапазонов температуры окружающей среды (18—20 и 4—6 °C). Места наложения электродов и проведения замеров выбирали так, чтобы в исследуемых областях не было одежды и подкожно-жирового слоя, и располагали следующим образом:

— правая рука — левая рука (средняя фаланга V пальца кисти);

— правая ушная раковина — левая ушная раковина;

— правая височная область — левая височная область.

Измерения проводили на всех предложенных частотах во всех вариантах расположения для каждого трупа с предварительной оценкой степени выраженности трупных пятен. Замеры повторяли каждые 30 мин в течение 9,5 ч, с условием сохранения в морге температурного режима на момент обнаружения трупа. Все данные импедансометрии при наблюдениях сводили в общую матрицу с указанием номера и показателей сопротивления. После математической и статической обработки полученных результатов авторы составили числовые таблицы и сделали выводы об эффективности вышеуказанного метода при определении ДНС.

Описанный в исследовании метод может существенно расширить возможности установления давности смерти в первые 48 ч на разных интервалах времени с точностью от 30 мин до 3 ч в 98% случаев. Несмотря на достаточно высокую точность определения ДНС, такая методика может вызывать затруднения при использовании ее в практической деятельности, что связано с соблюдением ряда условий при ее проведении и технической сложностью самого метода, а также с необходимостью применения высокоточных измерительных приборов. Решение сложностей, связанных с точностью измерений, предложено J. Ackmann [17] в работе, посвященной использованию четырехполосной системы коммерческих синхронных усилителей, при измерении импеданса на разных диапазонах частот.

Широкое распространение получили исследования отдельных тканей при патологических процессах или иных состояниях, связанных с изменением состава и строения изучаемого объекта. Одним из фундаментальных исследований свойств здоровых и патологических тканей является работа H. Schwan [18], которая посвящена изучению электрических свойств тканей и отдельных клеток. Были установлены показатели исследуемого материала при физиологически нормальном состоянии, а также в случаях развития патологических процессов преимущество живого организма. Помимо упомянутых выше исследований, касающихся различий между тканью аденомы и нормальной предстательной железы, в ряде работ, в том числе в исследовании H. Tyna и S. Iles [19], была оценена проводимость новообразований молочной железы. Кроме установленной разницы электропроводности в новообразованиях, авторами также при сравнительном анализе были выявлены различия между живой и мертвой тканями молочной железы, что поможет при определении ДНС или давности повреждений при работе с определенным типом тканей.

Экспериментальные работы на отдельных тканях животного происхождения представляют практический интерес для дальнейшего развития и применения методов на биологическом материале, полученном от человека [20, 21]. В этих работах авторы особое внимание уделяют мышечной ткани из-за ее высокой, обусловленной строением, проводимости и низкой резистивности.

В работе А.И. Зорькина [22] одним из объектов для определения ДНС также была выбрана мышечная ткань. Автор применял метод сверхвысокочастотных изменений с регистрацией комплексной относительной диэлектрической проницаемости (КОДП) и проводимости. В качестве материала были использованы мышечная ткань диафрагмы, паренхима щитовидной железы, подкожно-жировая клетчатка, небеременная матка и ткань яичка. По результатам исследования была установлена закономерная связь между развитием гнилостных изменений в изучаемых тканях и динамикой изменения электрических показателей, которые в ряде случаев зависят от температуры пребывания трупа, причины смерти, например кровопотери, и введения ряда медикаментов, что можно объяснить появлением большого числа полярных соединений в результате деполимеризации белковых структур в поздние сроки ДНС.

Л.А. Томилина [23] изучала КОДП и проводимость мягких тканей частей расчлененных трупов в стадии глубокого гниения для установления прижизненности повреждений, времени наступления смерти и давности расчленения. Автор установила, что биофизические показатели различных тканей индивидуальны и закономерно изменяются при гнилостном разложении в зависимости от ряда патофизиологических состояний и условий внешней среды. Были получены данные, позволяющие определять давность расчленения, дифференцировать прижизненную и посмертную травму при экспертизе расчлененного трупа, определять давность причинения травмы, отдельные причины смерти, а также условия, в которых находился труп.

В.Н. Крюков и соавт. [24], исследуя биофизические свойства методом СВЧ, в качестве материала использовали кожу и мышцы с повреждениями, причиненными как прижизненно, так и посмертно в разные сроки ДНС. Посмертные повреждения наносили через 6 ч после наступления смерти. В течение месяца производили измерения показателей проводимости и параметров КОДП в следующих временны́х интервалах: сразу после нанесения повреждений, через 6, 12, 24 ч, а затем каждые сутки. По данным исследования авторами был сделан вывод о том, что, исследуя биофизические свойства мягких тканей (КОДП и проводимость), можно определить не только прижизненность и давность причинения повреждений, но также причину и ДНС даже при исследовании частей трупа. К аналогичным выводам пришли А.А. Теньков и Н.А. Туманова [25], которые с помощью СВЧ-установки изучали динамику диэлектрических показателей интактных и травмированных мягких тканей в посмертном периоде, однако авторы также учитывали наличие этилового алкоголя в крови до 4% и причину смерти.

Исследование, проведенное D. Querido [26], заключалось в оценке биофизических показателей тканей крыс в первые 21 сут с момента наступления смерти. С применением метода импедансометрии исследовали трупы 8 крыс с дальнейшей оценкой и анализом полученных материалов. В ходе работы в качестве исследуемого материала использовали мягкие ткани груди и живота животных. Электроды помещали в объекты и фиксировали в них на протяжении всего периода исследования при поддержании постоянной температуры. В результате работы были установлены закономерности повышения и понижения числовых значений электрического сопротивления в биологическом материале, а также зависимость установленных закономерность показателей от ДНС.

C. Byrne и соавт. [27] занимались исследованием свойств мышечной ткани крупного рогатого скота в первые 14 сут посмертного периода. В их работе отражены разные биофизические и биохимические показатели, полученные с помощью различных методов, в том числе импедансометрии. Объектом исследования была выбрана длинная мышца спины коровы, полученная сразу после наступления смерти, с полностью удаленной подкожно-жировой клетчаткой. Измерения биофизических свойств производили при помощи ранее разработанного импедансометра Mcalchcck 160 (Sigma Electronic GmbH, Германия), игольчатые зонды которого были вставлены на глубину 6 см в мышцы, с расстоянием 1,5 см между вершинами. В ходе работы были получены графики изменения импеданса мышечной ткани, в которых отражены периоды увеличения и понижения показателей сопротивления. Авторы предположили, что это может быть связано с набуханием клеток, которое вызывает увеличение сопротивления из-за снижения внеклеточного объема. Дальнейшее увеличение объема внеклеточной жидкости после смерти, вызванное повышением проницаемости мембранных структур и снижение содержания воды, вероятно, привели к установленному в ходе исследования снижению показателей электрического сопротивления.

Ю.В. Ермакова [28] для определения ДНС предложила оригинальный метод с использованием спиновых зондов электронного парамагнитного резонанса для оценки изменений, происходящих в стекловидном теле. Для исследования изъяли 60 стекловидных тел от 42 трупов разного пола и разных возрастных групп как с заведомо известной причиной смерти, так и без таковой. Согласно предложенной методике, процесс посмертной динамики реакции восстановления спинового зонда 1-оксил-4оксо-2.2.6.6.-тетраметил-пиперидин в стекловидном теле, принятый за константу скорости, позволяет достаточно точно устанавливать ДНС на протяжении первых 12 сут.

А.Я. Никифоров [29] изучал электрофизических свойств тканей ахиллова сухожилия и почки. Автор обосновал свой выбор тем, что соединительная ткань сухожилия характеризуется крайне низким уровнем биологической активности и, как следствие, высокой биохимической и биофизической инертностью. Помимо этого, коллаген, входящий в ее состав, обладает высокой механической прочностью. Два этих показателя в сочетании друг с другом характеризуют значительную устойчивость сухожилия к аутолитическим процессам посмертного периода. Выбор именно ахиллова сухожилия как объекта исследования был обусловлен его расположением на периферии, что позволяет уменьшить влияние посмертных процессов, происходящих в теле, и сочетанием объема и доступности этого анатомического образования. Почечная ткань была выбрана как одна из тканей, ранее не исследованных с помощью электрофизических методов. Кроме того, ее показатели сопротивления не были ранее рассмотрены с целью определения ДНС. Вторым фактором выбора почки как органа стала необходимость в сопоставлении биохимически активной ткани и условно пассивной (сухожильной). По мнению автора, разница в отличии строения и свойств этих видов ткани позволяет наиболее достоверно оценивать их свойства методом импедансометрии для определения ДНС. Исследовательская работа была проведена с использованием оригинального прибора-измерителя электрического сопротивления. В его состав входят блок синусоидального генератора, блок омметра переменного тока, игольчатый датчик погружного типа. Прибор рассчитан на измерение сопротивления биологической ткани переменным напряжением разной частоты. Блок омметра представляет собой микроамперметр, подключенный к измерительной цепи через простейший двухполупериодный выпрямитель на кремниевых диодах. Шкала омометра градуирована по образцовым сопротивлениям с погрешностью не более 5%. Принципиальными задачами были обнаружение зависимости величины электрического сопротивления от частоты тока и выявление закономерности во временно́й динамике показателей сопротивления. При аналитической обработке автор использовал статистический аппарат, представленный критерием Ньюмана—Кейсла, критерием Фридмана и др. Образцы сухожилий разделили на три группы и хранили при разных температурных режимах, что в дальнейшем позволило выявить закономерность при сравнении регрессий в двух группах из трех. Практически значимыми оказались группа «холод—тепло» (средняя температура 4—6 °C) и «тепло—норма» (18—20 °C). Достоверных отличий в паре «холод—норма» выявлено не было. Были опубликованы графики с временными рядами электрического сопротивления сухожильной ткани, сохранившейся при двух температурных режимах, построенные по средним значениям. На данном этапе удалось наглядно продемонстрировать зависимость величины сопротивления от частоты тока, что позволило прийти к следующему выводу: по мере увеличения частоты тока сопротивление уменьшается. Таким способом автор установил показатели пиковых значений электрического сопротивления на установленных промежутках времени. Для обеих исследуемых групп эти показатели практически совпадали, однако кривая подъема и спада были разными. Это было объяснено простой зависимостью скорости протекания реакции от температуры. Самым важным, по мнению исследователя, явилось то, что на обоих графиках четко отражались периоды нарастания и спада, опосредованные аутолитическими процессами и гниением, развивающимися в ткани, и такая картина позволяет объективно судить о ДНС в отдаленном позднем посмертном периоде.

Таким образом, оценка динамики электрического сопротивления тканей организма может быть рассмотрена как перспективный метод определения ДНС, однако ее применение в практике, возможно, вызовет больше новых вопросов и даст большую погрешность установлении давности смерти. Связано это с тем, что весь материал в вышеупомянутом исследовании был заведомо отобран и хранился отдельно от «источников» аутолиза и гниения, процессы в нем проходили отдельно от туловища, поэтому в ходе работы определяли ДНС ахиллова сухожилия, а не трупа в целом. Вторым важным фактором являются условия хранения биологического материала. Несмотря на то, что были учтены такие условия, как температура пребывания материала, и на основе этого сформированы три группы объектов, эти условия можно охарактеризовать как лабораторные. В судебно-медицинской практике при проведении термометрии с целью определения ДНС всегда одной из самых значимых проблем является непостоянство температуры окружающего воздуха и, как следствие, невозможность достоверно использовать условия пребывания трупа для построения моделей определения ДНС по описанному методу. В представленной работе условия хранения всегда были постоянные, вследствие чего динамика аутолитических процессов в образцах внутри групп оказалась относительно одинаковой. На практике такие условия встретить практически невозможно и температура пребывания трупа до начала работы с ним неизвестна, как неизвестен и темп ее изменения.

Аналогичное исследование проводили И.А. Ледянкина и соавт. [30]. В работе проанализировали ранее известные методики применения импедансометрии с целью определения ДНС на образцах почки, сухожилия и кожи. Авторы описали ряд недостатков метода и сообщили о том, что полученные при исследовании данные, характеризуясь значительными колебаниями показателей изучаемой величины, в том числе волнообразного характера, могут вызвать затруднения при их использовании на практике из-за сравнительно большой погрешности. По итогам анализа возможности исследования и оценки свойств биологических тканей с помощью метода импедансометрии с целью определения ДНС было сделано предложение о допустимой перспективности изучения стекловидного тела глаза. Стекловидное тело изолировано от окружающей среды плотными длительно не поддающимися гниению оболочками, оно инертно, обладает постоянством биохимических процессов. Являясь токопроводящим объектом, стекловидное тело представляет собой сложный по составу раствор, содержащий 98—99% воды, а в биохимическом отношении это гидрофильный гель. Авторы проанализировали данные о биохимических показателях жидких сред глаза, выявили нарастание содержания белка в стекловидном теле независимо от причины смерти, пола возраста и других факторов. Было выдвинуто предположение о том, что процесс количественного изменения биохимических показателей жидких сред глаза будет сопровождаться закономерными изменениями их импеданса. Авторы уделили особое внимание разработке прибора для проверки описанного предположения, описали его принципиальную схему и технологические требования. Для выполнения исследования они изымали глазные яблоки трупов обоих полов и разных возрастных групп с последующей фиксацией времени смерти и условий хранения трупов. Забор материала производили в сроки от 12 до 24 ч с момента наступления смерти путем пункции глазного яблока в объеме 0,3 мл с последующим помещением его в планшет для иммунологических исследований. Работу производили на 52 объектах исследования при температуре окружающей среды 19—22 °C. Полученные значения импеданса стекловидного тела проверяли на предмет ошибок измерения, отбраковывали и не включали в исследовательскую группу. По результатам сравнительного анализа авторы пришли к выводу, что величина электрического сопротивления стекловидного тела глаза является достаточно стабильной и не зависит от таких факторов, как пол, возраст и наличие этанола в крови трупа. В ходе изучения динамики изменения импеданса жидкости стекловидного тела был установлен факт изменения показателей в зависимости от длительности посмертного периода, что подтверждает перспективность и практическую значимость при проведении исследований методом импедансометрии стекловидного тела для определения ДНС.

Кроме того, И.А. Ледянкина и соавт. [30] предложили импедансометр, предназначенный для измерения электрических характеристик биологических объектов, собранный из генератора синусоидальных и прямоугольных импульсов и линейного широкодиапазонного вольтметра переменного тока. Генератор выполнен по схеме мультивибратора с переключаемой частотой генерации, которая задается дискретно в пределах 100 Гц — 100 кГц с помощью подключаемых конденсаторов фиксированной емкости. В работе отражены основные проблемы, связанные с созданием прибора, необходимого для оценки показателей сопротивления биологических тканей. По предложенной схеме, исследуемый объект включают на место резистора в одно из плеч моста Уитсона. Указатель равновесия моста Уитсона сконструирован таким образом, что погрешность измерения в диапазоне 0,2—1,0 В не превышает 1% конечного значения шкалы, а съем значений электрического сопротивления исследуемого объекта производится погружным игольчатым датчиком, подключенным к установке. Измерителем в данной схеме является стандартный мультиметр.

Практически все рассмотренные методики основаны на пропускании через изучаемый объект переменного тока разной частоты и регистрации соотношения активного и реактивного сопротивления. Импедансометрия, как и многие другие методики, связана с применением источников переменного тока высоких и низких частот, которые представляют собой сложноорганизованные и высокоточные, однако дорогостоящие устройства. Поскольку в современных условиях появилась тенденция к усовершенствованию существующих методик за счет цифровых технологий [31], в ряде работ описаны модификации этого метода с дополнением оригинального программного обеспечения и алгоритма учета результатов. Оценка динамики изменений электропроводности с учетом поляризации при работе с источниками постоянного тока может давать вполне однозначный результат, принимая во внимания особенности создаваемого электрического поля.

В работе K. Brajesh и соавт. [32] представлен обзор модифицированной схемы источника постоянного тока, состоящей из преобразователя общего сопротивления, моста Вина и усилителя напряжения. Такое исследование показывает возможность применения постоянного тока для решения поставленной задачи. С учетом поляризации при определении удельного сопротивления, приоритетным показателем во время работы с источником постоянного тока и биологических объектов может быть оценка поляризации как методики, легко воспроизводимой за счет простоты применения и отсутствия дорогостоящих технических решений [33]. В ходе работы были определены параметры электрофизических свойств жировой ткани животного происхождения с применением доступного источника постоянного тока. Кроме того, была выявлена и зафиксирована четкая динамика изменений рассматриваемых электрофизических параметров, связанная с длительностью хранения материала и, как следствие, ДНС.

Заключение

В подавляющем большинстве рассмотренных работ, несмотря на выбранные разными авторами различные технические решения и биологические объекты, методы учета и регистрации параметров, были изучены основные электродинамические показатели сопротивления и электропроводности и взаимосвязи между ними. Общее развитие и активное внедрение цифровых технологий, в том числе и в медицинскую науку, позволили создать отдельные направления исследований в области прогнозирования факторов, влияющих на ответ тканей на пропускаемый электрический ток. Представленный обзор показал преимущества и перспективные возможности этого направления как варианта судебно-медицинской диагностики, результат которого зависит от поставленной цели, выбранного метода или конкретного типа биологического объекта. Изучение электрофизических изменений в тканях и способы применения полученных результатов могут найти широкое применение в судебной медицине при решении многих актуальных задач, в том числе и при установлении ДНС или давности образования повреждений.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.