Как ученые ТГУ используют СВЧ-излучение для лечения глубоких обморожений конечностей

Несмотря на то, что обморожение конечностей — распространенный вид травм во многих странах, специализированное оборудование для лечения этого заболевания отсутствует. Применяемые в практической медицине методы, к сожалению, приводят к одному финалу — ампутации обмороженных рук, ног. В 2005 году в Томском государственном университете появилась идея — использовать СВЧ-излучение, чтобы более эффективно отогревать руки и ноги. Спустя 13 лет у ученых есть несколько экспериментальных установок в больницах Томска и планы о том, как улучшить устройство, спасающее от ампутаций.

Таймлайн 

• 2005 — зарождение идеи 

• 2006 — первый патент, создание экспериментальной камеры 

• 2007-2010 — эксперименты на животных 

• 2010 — защита кандидатской диссертации Игорем Гореликом (ТВМИ) 

• 2010 — расформирование Томского военно-медицинского института, приостановка работ 

• 2015 — возобновление работ 

• 2017 — первая камера «под человека», эксперименты с фантомами 

• 2018 — официальное разрешение Комитета по биоэтике на привлечение к исследованиям информированных добровольцев. Размещение установки в томской МСЧ № 2 

• 2019 — размещение установки в томской горбольнице № 3 

• 2020 — освещение в программах Центрального телевидения «Жить здорово» и «Чудо техники» 

• 2021 — публикация в журнале Journal of Emergency, Trauma and Shock 

Радиоволнами? А почему бы и нет! 

Одна из распространенных патологий во многих странах с холодным климатом — обморожение. Оно может возникнуть при температуре тела от +6°С и ниже. Как правило, отмораживаются уши, нос и, чаще всего, конечности — руки и ноги. К сожалению, большая часть холодовых травм конечностей заканчивается ампутациями. В том числе и из-за того, что до сих пор нет сертифицированного оборудования для лечения глубоких обморожений. Большинство «народных» методов отогрева, которые известны для этих случаев (растирание снегом, сухое тепло) эффективны, только если обморожения не сильные — первой или второй степени. А для тех, кто получает холодовую травму более серьезной степени, чаще всего эти способы только усугубляют ситуацию. 

Однако в 2000-х годах в ТГУ заговорили о радиоволновом методе спасения людей от ампутации отмороженных конечностей. Ключевым человеком в истории этой разработки был профессор химического факультета ТГУ Владимир Козик. Будучи выпускником ТУСУРа, он хорошо представлял себе возможности радиоволновых методов. 

«В одной из наших встреч он озвучил тему обморожения, и мы сразу пришли к почти очевидному решению — использовать принципы уже популярной тогда микроволновой печи для лечения обмороженных конечностей. Понятно, что непосредственное ее применение невозможно — там очень большая мощность и очень неоднородное распределение поля. Но сам по себе принцип создания какой-то камеры, куда может быть помещена пораженная конечность, где слабыми, но глубоко проникающими лучами ее можно разогреть на всю глубину, выглядел вполне реализуемым», — рассказывает заведующий кафедрой радиоэлектроники РФФ ТГУ Григорий Дунаевский. 

Ученые начали плотно общаться с Томским военно-медицинским институтом, который стал первым партнером ТГУ в этой работе. В институте тогда действовал один из самых крупных в Сибири центров по лечению термических поражений. Военные врачи подтвердили, что нужно разрабатывать такое устройство, которое воздействовало бы на отмороженные конечности не только поверхностно. Дунаевский рассказывает, что поверхностный разогрев при глубоком обморожении может приводить к необратимым последствиям. Если внутрилежащие сосуды остаются ишемизированными, а наружные уже открылись, у человека могут возникнуть внутренние разрывы, тромбы, некроз. В этом случае уже ничего не поможет. 

В 2005 году с помощью первой инвестиции в проект — 2000 рублей — учёные покупают бытовую микроволновую камеру, которую разбирают на части. Работающих команды получилось две. Первая — врачи из Томского военно-медицинского института во главе с доктором медицинских наук полковником Евгением Гаврилиным. Вторая — сотрудники лаборатории электроники СФТИ Владимир Антипов и Юрий Цыганок, а позже и Анатолий Хлестунов. Чтобы мощность генератора СВЧ-печки подходила для лечения обморожения, эту мощность нужно было уменьшить в 50-100 раз. На это у команды ушел почти год. 

«Куда-то нужно было отвести эту лишнюю мощность, чтобы не перегревать конечность. Первый вариант установки был громоздким. Мощность загнали в камеру с водой, которая нагревалась и поглощала эту мощность, и только часть из нее мы отводили дальше и использовали для своих целей», — рассказывает Григорий Ефимович. 

Во время экспериментов с первым вариантом аппарата ученые в качестве объекта отогрева использовали замороженные окорочка и куски мяса. Затем в эксперименте появились кролики. Григорий Дунаевский показывает приведенную в диссертации Игоря Горелика сцинтиграмму, демонстрирующую, что у кролика в эксперименте была полностью (до полной остановки сосудов) обморожена одна лапка. После отогрева в микроволновой камере, как показывает вторая сцинтиграмма, активность всех сосудов удалось полностью восстановить, а лапку кролику полностью сохранить. Так было показано, что методика действительно работает. 

Однако дальше исследователей ждали не эксперименты, а пять лет паузы. В 2010 году Томский военно-медицинский институт был расформирован, и ученые потеряли своего медицинского партнера. 

Фантомы, фарш и новая камера 

Пауза длилась почти 5 лет, рассказывает Григорий Дунаевский, — до 2015 года. Вернувшись к работе без медицинского партнера, ученые попробовали сделать камеру «под человека»: с подходящими размерами и с более надежной защитой от СВЧ-излучения. 

Исследователи сделали еще одну попытку получить медицинского партнера и обратились в Министерство обороны РФ. В качестве такого партнера им предложили Военно-медицинскую академию им. С.М. Кирова в Санкт-Петербурге. В этот период подобные работы в академии не проводились, поэтому они предложили сотрудничество на этапе клинических испытаний, когда разработка будет полностью готова. 

Чтобы уйти от сверхмощного генератора, используемого в микроволновых печах, ученые решили воспользоваться генерирующим блоком от другого медицинского аппарата, который используется в физиотерапии. 

«Его генерирующая часть нас устраивала как источник мощности. А вот антенны, которые к нему прилагаются, не годились. Они накладные, просто аппликаторы, и не позволяют глубинно и со всех сторон прогревать конечность. И мы пошли по пути модификации нашей камеры с использованием генерирующего блока этих аппаратов», — говорит Григорий Дунаевский. 

В 2018 году ученые изменили камеру и начали пробовать ее на медицинских фантомах — то есть искусственно созданных конечностях, имитирующих части человеческого тела: руку или ногу. Первым фантомом для испытаний устройства был обычный пластиковый цилиндр, который исследователи наполняли и желатином, и физраствором, и даже свиным фаршем. 

«Мы подбирали материалы для наполнения фантома, и когда измерили диэлектрические свойства свиного фарша, обнаружили, что они близки к свойствам мышечных тканей человека. Стали покупать фарш у одного предприятия и наполнять им разные фантомы. Сначала цилиндр, потом ногу от манекена, потом изготовили фантом руки»,

Параллельно группа ученых работала над математическим моделированием полей в камере и в фантоме. Математические модели анализировали доцент РФФ Игорь Дорофеев, сотрудник РФФ Александр Нечаев и магистрант РФФ Полина Смыгалина. 

Основная часть экспериментов с фантомами заключалась в измерениях распределения теплового поля в объеме фантома при его нагреве в микроволновой камере. Соответственно, установка включала в себя погружной температурный датчик — цифровой термометр. Чтобы изучить распределение теплового поля под действием нагрева, исследователи прогревали фантом различными мощностями и длительностями сеансов. Затем, сантиметр за сантиметром, ученые опускали термометр в фантом, прорисовывая распределение температуры в его объеме. 

Профессор РФФ ТГУ Григорий Дунаевский и сотрудник РФФ Александр Нечаев тестируют СВЧ-камеру

Важным элементом камеры «для человека» стало наличие на входной апертуре камеры радиозащитного рукава. Он защищает остальные части тела пациента и обслуживающий персонал от нежелательного облучения микроволновым излучением. 

К 2018 году у группы ученых уже был аппарат с рукавом и генератором. После проверки аппарата на животных и на фантомах, в конце 2018 года Комитет по биоэтике ТГУ изучил все данные об установке, принципах и особенностях ее работы — и дал официальное разрешение на привлечение к исследованиям информированных добровольцев. Ученые вуза решили обратиться к больницам, принимающим людей в порядке скорой помощи. Так намного проще найти людей с обморожением, которые срочно поступили на лечение холодовой травмы и не пытались предварительно отогревать ее самостоятельно. 

Выбор пал на 2-ю медсанчасть в Томске. Оказалось, рассказывает Григорий Дунаевский, в ней тогда работал профессор Евгений Гаврилин, который руководил этой же работой в Военно-медицинском институте до его расформирования. Ученые подписали договор о сотрудничестве с больницей, и пациенты, которых привозили с обморожением, получили возможность пройти лечение с применением СВЧ-установки. 

Как работает установка 

Установка содержит экранированную микроволновую рабочую камеру и источник СВЧ-излучения, к которому присоединен коаксиальный кабель, соединяющий генератор с антенной, расположенной внутри камеры. При работе с устройством отмороженную конечность размещают в полость рабочей камеры через защитный рукав. При включении источника СВЧ-энергия поступает в полость этой камеры. Вся мощность в камере рассеивается внутри конечности и прогревает ее как изнутри, так и снаружи. Так снимается спазм глубоко расположенных сосудов и восстанавливается кровоток и лимфоток. Методика работы аппарата — абсолютно новая. 

«Мы боялись, не перегреем ли мы пальцы. Они ведь быстрее прогреваются, нежели ладони. Для этого в камеру последней конструкции мы добавили небольшой обдув. То есть мы одновременно прогреваем и охлаждаем конечность. Математическая модель отогрева показала, что даже небольшим обдувом можно снижать температуру поверхности и пальцев прогреваемой конечности», — рассказывает Дунаевский. 

К концу 2021 года 14 человек спасены от полной или частичной ампутации обмороженных конечностей

Еще одна проблема, с которой столкнулись исследователи, — СВЧ-поле внутри камеры неравномерно, как и в микроволновых печах, именно поэтому еда в них «крутится». Это происходит из-за интерференции электромагнитных волн в камере: где-то амплитуды волн складываются, где-то взаимно «вычитаются». Если тарелку с едой в микроволновой печи не вращать, то часть блюда будет холодной, а часть — горячей. Вращать так же ногу или руку, рассказывает Григорий Дунаевский, не получится. Поэтому для камеры сделали специальный узел, который заставляет меняться само СВЧ-поле. 

Больницы и предприятия 

Пока ученые стали получать первые успешные результаты во 2-й медсанчасти, интерес к этой разработке проявила и 3-я Городская больница. Здесь тоже был размещен аппарат, и некоторых пациентов также удалось спасти от полной или частичной ампутации обмороженных конечностей. 

Самый яркий случай, рассказывает Дунаевский, был в 2019 году. Тогда привезли парня, 5 часов пробывшего на морозе. По всем показаниям это был случай, подпадающий под ампутацию: глубоко поражены были и ладони, и стопы. Он дал свое согласие на участие в исследовании, и врачи отогрели его конечности с помощью СВЧ-камеры. Пациента выписали с восстановленными стопами и ладонями и ампутацией ногтевых фаланг лишь на нескольких пальцах ног, а пальцы рук получилось спасти полностью. 

«После того, как вылечили парня, эту историю болезни опубликовал индо-американский журнал. В Томске есть такой известный микрохирург Владимир Байтингер, я спросил у него, где можно быстро опубликовать эту историю. Он подсказал, что можно это сделать через Индию. Я тогда удивился: Индия — и обморожение, как-то не совпадает. Но, оказывается, там есть район Кашмир [спорная область на крайнем севере Индийского субконтинента], где одна из самых распространенных травм — это обморожение», — говорит Григорий Ефимович. 

С началом пандемии коронавируса в России 2-ю медсанчасть для внековидного приема закрыли, причем настолько быстро, что не удалось вывезти находившийся в ней аппарат. Тогда другую камеру увезли в 3-ю горбольницу, где только за зиму 2020-2021 года врачи под руководством главы отделения Александра Помыткина успешно пролечили от обморожения 8 человек. Сейчас, говорит ученый, решается вопрос о размещении аппарата еще и в Томской областной клинической больнице. 

СВЧ-камера ТГУ для восстановления обмороженных конечностей

Промышленные предприятия также заинтересованы в партнерстве с разработчиками установки. Григорий Ефимович рассказывает, что интерес к разработке пока проявляли два предприятия: ижевский «Аксион-холдинг», имеющий опыт в производстве медицинской продукции, и томский «Микран». Однако им тоже нужен окончательный вариант прибора. 

Разработка защищена пятью патентами, хотя очевидно, что в окончательном ее варианте будет еще много новых решений. 

«Мы хотим уже подвести какую-то черту, ведь аппарат можно совершенствовать до бесконечности. К примеру, в защищенной дипломной работе Иван Первеев проработал возможность тепловизионного контроля температуры конечности непосредственно в процессе ее отогрева в камере. И таких «пользовательских» полезностей можно прорабатывать еще множество. Тем не менее, итоговые варианты уже просматриваются», — говорит ученый. 

Первый вариант — укомплектовать аппарат как стационарную установку в больнице. А второй — сделать компактный мобильный вариант, чтобы его можно было применять в машине скорой помощи и начинать микроволновый отогрев еще до доставки пациента в клинику. 

Впереди у ученых — доработка существующей установки, а еще — уточнение режимов для конечностей разной массы, размеров и степени холодового поражения. Большая работа еще предстоит и медицинским партнерам — по подбору эффективного медикаментозного сопровождения СВЧ-отогрева.