Use of Microwave Radiometry to Monitor Thermal Denaturation of Albumin

This study monitored thermal denaturation of albumin using microwave radiometry. Brightness Temperature, derived from Microwave Emission (BTME) of an aqueous solution of bovine serum albumin (0.1 mM) was monitored in the microwave frequency range 3.8–4.2 GHz during denaturation of this protein at a temperature of 56°C in a conical polypropylene cuvette. This method does not require fluorescent or radioactive labels. A microwave emission change of 1.5–2°C in the BTME of aqueous albumin solution was found during its denaturation, without a corresponding change in the water temperature. Radio thermometry makes it possible to monitor protein denaturation kinetics, and the resulting rate constant for albumin denaturation was 0.2 ± 0.1 min−1, which corresponds well to rate constants obtained by other methods

Дослідження мікрохвильового радіотермометрії для моніторингу внутрішньої температури біологічних тканин

Currently, there is growing interest among specialists in the use of non-invasive dose-free technologies for diagnosis and monitoring treatment of various diseases. Microwave radiometry enables non-invasive detection of thermal abnormalities in internal tissues of the human body. The current level of development of the method of microwave radiometry makes it possible to non-invasively detect malignant neoplasms at early stages according to characteristics of the person's own radiothermal fields. For a wider implementation of the method, it is necessary to overcome a series of scientific and technical barriers that impede its development. First of all, it is necessary to ensure miniaturization of the equipment used.An analytical review of the current state of development in the field of medical radiometers has been performed. Miniaturization of equipment is an important area for studies. It was shown that application of the proposed scheme for designing a null balance radiometer with a sliding scheme of reflection compensation with two matched RF loads will enable creation of a miniature highly stable radiometer. The measurement error of this device does not depend on the ambient temperature, intrinsic temperature of the device and impedance of the studied area of the body. The device calibration procedure was considered and noise signal calculations were performed. Results of experimental verification of correctness of choice of the way of designing the miniature radiometer circuit were presented. Introduction of thermal compensation has made it possible to reduce measurement error associated with the device heating to 0.2 °C when intrinsic temperature of the radiometer changed by 20 °C. It was shown that a radiometer operating in the frequency band 3.4–4.2 GHz can be used to detect various diseases and monitor internal temperature of tissues during treatment. With introduction of autonomous power supply and wireless communication with a smartphone, the miniature radiometer can be used as a wearable device to monitor temperature of internal tissues in everyday human life.В настоящее время растет интерес специалистов к использованию неинвазивных бездозовых технологий для диагностики и мониторинга лечения различных заболеваний. Микроволновая радиотермометрия позволяет неинвазивно выявлять тепловые аномалии внутренних тканей организма человека. Рассмотрен современный уровень развития метода микроволновой радиотермометрии, позволяющего неинвазивно выявлять на ранних стадиях злокачественные новообразования по характеристикам собственных радиотепловых полей человека. Для более широкого внедрения метода необходимо преодоление ряда научно-технических барьеров, препятствующих его развитию. Для этого в первую очередь необходимо обеспечить миниатюризацию используемой аппаратуры.Выполнен аналитический обзор современного состояния разработок в области медицинских радиотермометров. Важным направлением исследований является миниатюризация аппаратуры. Показано, что применение предложенной схемы построения балансного нуль-радиотермометра со скользящей схемой компенсацией отражения с двумя согласованными нагрузками позволит создать миниатюрный высокостабильный радиотермометр. Погрешность измерения данного прибора не зависит от температуры окружающей среды, собственной температуры прибора и импеданса исследуемой области тела. Рассмотрена процедура калибровки прибора и выполнены расчеты шумовых сигналов. Приведены результаты экспериментальной верификации правильности выбора построения схемы миниатюрного радиотермометра. Введение термокомпенсации позволило снизить погрешность измерения, связанной с нагревом прибора до 0,2 °С, при изменении собственной температуры радиотермометра на 20 °С. Показано, что радиотермометр, работающий в полосе частот 3,4–4,2 ГГц, может использоваться для выявления различных заболеваний и контроля внутренней температуры тканей в процессе лечения. После введения автономного питания и беспроводной связи со смартфоном, миниатюрный радиотермометр можно будет использовать как носимое устройство для мониторинга температуры внутренних тканей в процессе жизнедеятельности человекаВ даний час зростає інтерес фахівців до використання неінвазивних бездозових технологій для діагностики та моніторингу лікування різних захворювань. Мікрохвильова радіотермометрія дозволяє неінвазивно виявляти теплові аномалії внутрішніх тканин організму людини. Розглянуто сучасний рівень розвитку методу мікрохвильової радіотермометрії, що дозволяє неінвазивно виявляти на ранніх стадіях злоякісні новоутворення за характеристиками власних радіотеплових полів людини. Для більш широкого впровадження методу необхідно подолання ряду науково-технічних бар'єрів, що перешкоджають його розвитку. Для цього в першу чергу необхідно забезпечити мініатюризацію використовуваної апаратури.Виконано аналітичний огляд сучасного стану розробок в області медичних радіотермометрів. Важливим напрямком досліджень є мініатюризація апаратури. Показано, що застосування запропонованої схеми побудови балансного нуль-радіотермометра з ковзаючою схемою компенсацією відображення з двома узгодженими навантаженнями дозволить створити мініатюрний високостабільний радіотермометр. Похибка вимірювання даного приладу не залежить від температури навколишнього середовища, власної температури приладу і імпедансу досліджуваної області тіла. Розглянуто процедуру калібрування приладу і виконано розрахунки шумових сигналів. Наведено результати експериментальної верифікації правильності вибору побудови схеми мініатюрного радіотермометру. Введення термокомпенсації дозволило знизити похибку вимірювання, пов'язану з нагріванням приладу до 0,2 °С, при зміні власної температури радіотермометрії на 20 °С. Показано, що радіотермометр, який працює в смузі частот 3,4–4,2 ГГц, може використовуватися для виявлення різних захворювань і контролю внутрішньої температури тканин в процесі лікування. Після введення автономного живлення і бездротового зв'язку зі смартфоном, мініатюрний радіотермометр можна буде використовувати як переносний пристрій для моніторингу температури внутрішніх тканин в процесі життєдіяльності людин

Дослідження мікрохвильового радіотермометрії для моніторингу внутрішньої температури біологічних тканин

Currently, there is growing interest among specialists in the use of non-invasive dose-free technologies for diagnosis and monitoring treatment of various diseases. Microwave radiometry enables non-invasive detection of thermal abnormalities in internal tissues of the human body. The current level of development of the method of microwave radiometry makes it possible to non-invasively detect malignant neoplasms at early stages according to characteristics of the person's own radiothermal fields. For a wider implementation of the method, it is necessary to overcome a series of scientific and technical barriers that impede its development. First of all, it is necessary to ensure miniaturization of the equipment used.An analytical review of the current state of development in the field of medical radiometers has been performed. Miniaturization of equipment is an important area for studies. It was shown that application of the proposed scheme for designing a null balance radiometer with a sliding scheme of reflection compensation with two matched RF loads will enable creation of a miniature highly stable radiometer. The measurement error of this device does not depend on the ambient temperature, intrinsic temperature of the device and impedance of the studied area of the body. The device calibration procedure was considered and noise signal calculations were performed. Results of experimental verification of correctness of choice of the way of designing the miniature radiometer circuit were presented. Introduction of thermal compensation has made it possible to reduce measurement error associated with the device heating to 0.2 °C when intrinsic temperature of the radiometer changed by 20 °C. It was shown that a radiometer operating in the frequency band 3.4–4.2 GHz can be used to detect various diseases and monitor internal temperature of tissues during treatment. With introduction of autonomous power supply and wireless communication with a smartphone, the miniature radiometer can be used as a wearable device to monitor temperature of internal tissues in everyday human life.В настоящее время растет интерес специалистов к использованию неинвазивных бездозовых технологий для диагностики и мониторинга лечения различных заболеваний. Микроволновая радиотермометрия позволяет неинвазивно выявлять тепловые аномалии внутренних тканей организма человека. Рассмотрен современный уровень развития метода микроволновой радиотермометрии, позволяющего неинвазивно выявлять на ранних стадиях злокачественные новообразования по характеристикам собственных радиотепловых полей человека. Для более широкого внедрения метода необходимо преодоление ряда научно-технических барьеров, препятствующих его развитию. Для этого в первую очередь необходимо обеспечить миниатюризацию используемой аппаратуры.Выполнен аналитический обзор современного состояния разработок в области медицинских радиотермометров. Важным направлением исследований является миниатюризация аппаратуры. Показано, что применение предложенной схемы построения балансного нуль-радиотермометра со скользящей схемой компенсацией отражения с двумя согласованными нагрузками позволит создать миниатюрный высокостабильный радиотермометр. Погрешность измерения данного прибора не зависит от температуры окружающей среды, собственной температуры прибора и импеданса исследуемой области тела. Рассмотрена процедура калибровки прибора и выполнены расчеты шумовых сигналов. Приведены результаты экспериментальной верификации правильности выбора построения схемы миниатюрного радиотермометра. Введение термокомпенсации позволило снизить погрешность измерения, связанной с нагревом прибора до 0,2 °С, при изменении собственной температуры радиотермометра на 20 °С. Показано, что радиотермометр, работающий в полосе частот 3,4–4,2 ГГц, может использоваться для выявления различных заболеваний и контроля внутренней температуры тканей в процессе лечения. После введения автономного питания и беспроводной связи со смартфоном, миниатюрный радиотермометр можно будет использовать как носимое устройство для мониторинга температуры внутренних тканей в процессе жизнедеятельности человекаВ даний час зростає інтерес фахівців до використання неінвазивних бездозових технологій для діагностики та моніторингу лікування різних захворювань. Мікрохвильова радіотермометрія дозволяє неінвазивно виявляти теплові аномалії внутрішніх тканин організму людини. Розглянуто сучасний рівень розвитку методу мікрохвильової радіотермометрії, що дозволяє неінвазивно виявляти на ранніх стадіях злоякісні новоутворення за характеристиками власних радіотеплових полів людини. Для більш широкого впровадження методу необхідно подолання ряду науково-технічних бар'єрів, що перешкоджають його розвитку. Для цього в першу чергу необхідно забезпечити мініатюризацію використовуваної апаратури.Виконано аналітичний огляд сучасного стану розробок в області медичних радіотермометрів. Важливим напрямком досліджень є мініатюризація апаратури. Показано, що застосування запропонованої схеми побудови балансного нуль-радіотермометра з ковзаючою схемою компенсацією відображення з двома узгодженими навантаженнями дозволить створити мініатюрний високостабільний радіотермометр. Похибка вимірювання даного приладу не залежить від температури навколишнього середовища, власної температури приладу і імпедансу досліджуваної області тіла. Розглянуто процедуру калібрування приладу і виконано розрахунки шумових сигналів. Наведено результати експериментальної верифікації правильності вибору побудови схеми мініатюрного радіотермометру. Введення термокомпенсації дозволило знизити похибку вимірювання, пов'язану з нагріванням приладу до 0,2 °С, при зміні власної температури радіотермометрії на 20 °С. Показано, що радіотермометр, який працює в смузі частот 3,4–4,2 ГГц, може використовуватися для виявлення різних захворювань і контролю внутрішньої температури тканин в процесі лікування. Після введення автономного живлення і бездротового зв'язку зі смартфоном, мініатюрний радіотермометр можна буде використовувати як переносний пристрій для моніторингу температури внутрішніх тканин в процесі життєдіяльності людин

Research of a Microwave Radiometer for Monitoring of Internal Temperature of Biological Tissues

Currently, there is growing interest among specialists in the use of non-invasive dose-free technologies for diagnosis and monitoring treatment of various diseases. Microwave radiometry enables non-invasive detection of thermal abnormalities in internal tissues of the human body. The current level of development of the method of microwave radiometry makes it possible to non-invasively detect Malignant neoplasms at early stages according to characteristics of the person's own radiothermal fields. For a wider implementation of the method, it is necessary to overcome a series of scientific and technical barriers that impede its development. First of all, it is necessary to ensure miniaturization of the equipment used.An analytical review of the current state of development in the field of medical radiometers has been performed. Miniaturization of equipment is an important area for studies. It was shown that application of the proposed scheme for designing a null balance radiometer with a sliding scheme of reflection compensation with two matched RF loads will enable creation of a miniature highly stable radiometer. The measurement error of this device does not depend on the ambient temperature, intrinsic temperature of the device and impedance of the studied area of the body. The device calibration procedure was considered and noise signal calculations were performed. Results of experimental verification of correctness of choice of the way of designing the miniature radiometer circuit were presented. Introduction of thermal compensation has made it possible to reduce measurement error associated with the device heating to 0.2 °C when intrinsic temperature of the radiometer changed by 20 °C. It was shown that a radiometer operating in the frequency band 3.4–4.2 GHz can be used to detect various diseases and monitor internal temperature of tissues during treatment. With introduction of autonomous power supply and wireless communication with a smartphone, the miniature radiometer can be used as a wearable device to monitor temperature of internal tissues in everyday human life

Radiothermometric Study of the Effect of Amino Acid Mutation on the Characteristics of the Enzymatic System

The radiothermometry (RTM) study of a cytochrome-containing system (CYP102 A1) has been conducted in order to demonstrate the applicability of RTM for monitoring changes in the functional activity of an enzyme in case of its point mutation. The study has been performed with the example of the wild-type cytochrome (WT) and its mutant type A264K. CYP102 A1 is a nanoscale protein-enzymatic system of about 10 nm in size. RTM uses a radio detector and can record the corresponding brightness temperature (Tbr) of the nanoscale enzyme solution within the 3.4–4.2 GHz frequency range during enzyme functioning. It was found that the enzymatic reaction during the lauric acid hydroxylation at the wild-type CYP102 A1 (WT) concentration of ~10−9 M is accompanied by Tbr fluctuations of ~0.5–1 °C. At the same time, no Tbr fluctuations are observed for the mutated forms of the enzyme CYP102 A1 (A264K), where one amino acid was replaced. We know that the activity of CYP102 A1 (WT) is ~4 orders of magnitude higher than that of CYP102 A1 (A264K). We therefore concluded that the disappearance of the fluctuation of Tbr CYP102 A1 (A264K) is associated with a decrease in the activity of the enzyme. This effect can be used to develop new methods for testing the activity of the enzyme that do not require additional labels and expensive equipment, in comparison with calorimetry and spectral methods. The RTM is beginning to find application in the diagnosis of oncological diseases and for the analysis of biochemical processes

Study of Brain Circadian Rhythms in Patients with Chronic Disorders of Consciousness and Healthy Individuals Using Microwave Radiometry

The study of circadian rhythms in the human body using temperature measurements is the most informative way to assess the viability of the body’s rhythm-organizing systems. Pathological processes can affect circadian rhythm dynamics in damaged organs. Severe brain damage that caused the development of disorders of consciousness (DOC) (strokes, traumatic brain injury) disrupts the activity of central oscillators, by directly damaging or destroying the periphery links, and the level of preservation of circadian rhythms and the dynamics of their recovery can be informative diagnostic criteria for patient’s condition assessment. This study examined 23 patients with DOC by using a non-invasive method for obtaining body and cerebral cortex temperature to compare with healthy controls. Measurements were made with a 4 h interval for 52 h beginning at 08:00 on day 1 and ending at 08:00 on day 3. The profile of patients with DOC showed complete disruption compared to healthy controls with rhythmic patterns. The results indicate that the mechanisms for maintaining brain circadian rhythms are different from general homeostasis regulation of the body. Use of microwave radio thermometry for the identification of rehabilitation potential in patients with DOC is a promising area of investigation

Correction of Local Brain Temperature after Severe Brain Injury Using Hypothermia and Medical Microwave Radiometry (MWR) as Companion Diagnostics

The temperature of the brain can reflect the activity of its different regions, allowing us to evaluate the connections between them. A study involving 111 patients in a vegetative state or minimally conscious state used microwave radiometry to measure their cortical temperature. The patients were divided into a main group receiving a 10-day selective craniocerebral hypothermia (SCCH) procedure, and a control group receiving basic therapy and rehabilitation. The main group showed a significant improvement in consciousness level as measured by CRS-R assessment on day 14 compared to the control group. Temperature heterogeneity increased in patients who received SCCH, while remaining stable in the control group. The use of microwave radiometry to assess rehabilitation effectiveness and the inclusion of SCCH in rehabilitation programs appears to be a promising approach.journal articl

Correction of Local Brain Temperature after Severe Brain Injury Using Hypothermia and Medical Microwave Radiometry (MWR) as Companion Diagnostics

The temperature of the brain can reflect the activity of its different regions, allowing us to evaluate the connections between them. A study involving 111 patients in a vegetative state or minimally conscious state used microwave radiometry to measure their cortical temperature. The patients were divided into a main group receiving a 10-day selective craniocerebral hypothermia (SCCH) procedure, and a control group receiving basic therapy and rehabilitation. The main group showed a significant improvement in consciousness level as measured by CRS-R assessment on day 14 compared to the control group. Temperature heterogeneity increased in patients who received SCCH, while remaining stable in the control group. The use of microwave radiometry to assess rehabilitation effectiveness and the inclusion of SCCH in rehabilitation programs appears to be a promising approach