Механика композитных материалов 3 1979

Граничные условия

6YT'1 QVT7, = ^ vt''.

В этом пункте приняты следующие обозначения: силовые факторы без верхнего индекса означают суммарное усилие (момент) для пакета слоев в целом;

505

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 3, с. 508—514

УДК 539.3:611.71

В. В. Дзенис, Ю. И. Пуриныи

ИССЛЕДОВАНИЕ КОСТЕЙ ЧЕРЕПА ЧЕЛОВЕКА ИЗГИБНЫМИ ВОЛНАМИ УЛЬТРАЗВУКА

В работах1-4 предложен метод измерения компактной костной ткани человека изгибными волнами ультразвука при помощи экспоненциаль­ ных концентраторов. Наличие практически точечного контакта у этих пьезопреобразбвателей позволило перейти к измерениям на сравнительно малых базах — .до 8— 10 мм, что особенно важно при исследовании био­ логических объектов сложной конфигурации, например позвонков4. На­ личие малой базы, в свою очередь, дало возможность осуществить тща­ тельное акустическое обследование изучаемого объекта путем измерения во многих местах поверхностного слоя — так, при измерениях in vitro большеберцовая кость исследовалась в семи зонах по окружности и в 28 поясах по вертикали, всего в 196 местах1, позвонок человека — трех­ кратно в девяти зонах по окружности и трех поясах по вертикали — в 27 местах — в 81 точке4. Точность ультразвуковых измерений, оцененная ко­ эффициентом вариации многократных повторных измерений в одном и том же месте образца, была достаточно высокой и составляла ив = 0,8— 1,2% для большеберцовой кости и ив = 0,4—0,6% для позвонков.

В2-3 была отработана методика измерений на живом человеке. Ульт­ развуковые измерения проводили на медиальных поверхностях правой п левой нижних конечностей человека в 10 поясах по вертикали. Выбор медиальной поверхности был обусловлен тем, что в этом месте больше­ берцовая кость покрыта только тонким слоем кожи. Опыты2 показали, что в этих условиях кожа, подкожная ткань и надкостница мало влияют на время прохождения ультразвука и измерения через кожу на медиаль­ ных поверхностях дают объективную информацию об акустических свойствах костной ткани. Коэффициент вариации во всех случаях был в пределах 0,5^ у в^ 1,2%.

Целью настоящей работы явилось применение описанной выше мето­ дики ультразвукового исследования для диагностики состояния костей черепа человека.

Для измерений были выбраны пара концентраторов с собственной частотой 50 кГц и база измерений 20 мм. Для фиксации мест измерений на черепе человека пользовались резиновой шапочкой, которую обсле­ дуемый надевал на голову. В шапочке по определенной сетке были выре­ заны отверстия, где при измерениях ставилось острие концентратора (рис. 1). Сетка измерений была выбрана следующим образом: череп че­ ловека разделили посредине на две половины — правую (П) и левую

(Л). На каждой половине было проведено семь линий измерения — а—ж. По каждой линии делали от 4 до 15 измерений (каждое место измерения

вине черепа проводили 81 измерение. Кроме того, проводили 15 измере­ ний по верхней части черепа между точками линий а П и Л половин че­ репа также на базе 20 мм (места этих измерений на рис. 1 обозначены аа'У,2 ',..., 15'). Общее количество мест измерений на черепе человека составило 177. Конфигурация черепа некоторых обследуемых не позво­ ляла проводить измерения во всех намеченных местах. Наименьшее число измерений в наших опытах — 168.

508

ночника. Это понижение точности измерения вызвано главным образом погрешностями установки базы измерения I. Для удобства измерения на черепе и для ликвидации акустических наводок соединительная ручка была изготовлена с податливой изоляционной прокладкой из войлока, поэтому база измерений фиксировалась оператором только визуально в момент измерения по установке острий концентраторов в середине отвер­ стий, вырезанных в измерительной шапочке, что и могло привести к по­ грешностям в определении I. В шести местах измерений (3,4% случаев измерений) коэффициент vDбыл больше 5%. Все эти места расположены в непосредственной близости к швам черепа. По-видимому, из-за труд­ ностей попадания в прежние места при повторном надевании шапочки измерения производились как непосредственно над швами, так и рядом с ними, что могло повлечь за собой сильное изменение значений ско­ рости си.

Результаты наших испытаний показали, что скорости ультразвука значительно различаются как при измерениях в разных местах на одном объекте, так и при измерениях разных людей. Эти измерения лежали в пределах 0,76—2,47 км/с (с(11)тах/С(н)тт = 3,25 раза). Поэтому для удоб­ ства статистических вычислений и наглядности топологических схем по­

черепа, и каждое место измерения в зависимости от класса значения си показано прямоугольником с определенной штриховкой (густота штри­ ховки соответствует скорости с„). Результаты измерений по средней ли­ нии аа' даны на рисунках над правой частью черепа (см., напр., рис. 2).

509

два коэффициента асимметрии /Сс= С(И)п/С(и)л и Ко=Оп1оп, где С(„)П, од — средняя скорость и среднеквадратичное отклонение измерений на правой стороне черепа: С(И)Л, <тл — то же на левой стороне. Как видно из наших экспериментальных данных (см. табл. 1), эти показатели для об­ следуемых в среднем близки к 1, но для отдельных людей наблюдаются колебания до 6% по Кс и до 18% по Ко- Результаты измерений на восьми мужчинах в возрасте от 21 года до 65 лет показывают тенденцию к уве­ личению с возрастом как средней скорости с(И)Ч, так и среднеквадратич­ ного отклонения сгч (см. табл. 1). Следует отметить, что увеличение сте­ пени акустической неоднородности с возрастом было нами ранее уста­ новлено при измерениях in vitro большеберцовых костей1 и позвонков4, только в этих случаях увеличение степени неоднородности было сильнее.

Данные обследования больных с патологией головы приведены в табл. 2 и на рисунках 4—6. Полученные результаты значительно отлича­ ются от данных обследования здоровых людей: 1) у больных отмечены более низкие в целом по черепу скорости Сб, чем у здоровых людей — с3 (за с3 условно принята средняя скорость по всем обследованным с3 = = 1,68 км/с); 2) для больных разброс экспериментальных данных, харак­ теризующийся среднеквадратичным отклонением сто, был в основном меньше, чем у здоровых (ст3 = 0,26); 3) в ряде случаев имелось сильное

Табл. 2

Результаты ультразвуковых измерений на черепах людей с патологией черепа или головного мозга

511

лочке черепа, так и при изменении контактных условий череп—мозг. На данном этапе исследований нельзя однозначно определить причины, вы­ зывающие снижение скорости ультразвука. Однако анализ полученных при обследовании больных данных позволяет, на наш взгляд, считать, что основную роль при снижении скорости ультразвука при рассмотрен­ ных нами патологиях играют причины третьей группы.

При рассмотрении отдельных больных было установлено следующее1. Двое больных (П1 и П2) имели сильные ушибы мозга с кровоизлиянием в массу мозга. Из данных ультразвуковых обследований вытекает, что у обоих больных была значительно понижена средняя скорость по черепу в целом: С б/с3 = 0,72. Для больного П1 очаг поражения был локализован главным образом в правой части черепа, для больного же П2 (см. рис. 4) обе стороны черепа были поражены в одинаковой мере.

Ультразвуковое обследование больного с опухолью гипофиза (ПЗ) дало аналогичную картину — наблюдалось значительное симметричное понижение скорости в обеих половинах черепа.

Первоначальный диагноз у больного П4 — объемный процесс в левой затылочной части мозга, по поводу которого и была произведена опера­ ция. Во время операции было установлено, что в этом месте имеется ор­ ганизованная большая гематома, образовавшаяся после разрыва анев­ ризмы мозговых сосудов, что и симулировало новообразование мозга. Ультразвуковым обследованием, проведенным до операции, установлены более низкие значения скорости Сб, чем у здоровых людей, а кроме того — значительное понижение скорости ультразвука в 16 местах измерений в затылочной части левой половины черепа (линии II—V, начиная с точки измерения 10). Зона локализации патологии по данным ультразвука четко выражена.

Первоначальный диагноз у больной П5 — объемный процесс в левой части мозга. После дальнейшего нейрохирургического обследования но­ вообразования в головном мозгу не было обнаружено и был установлен новый диагноз — хронический арахноидит. Однако ультразвуковое об­ следование показало, что обе части черепа у больной весьма резко раз­ личаются — /Сс= 1,22 и УС* = 0,50. Если правая сторона черепа не имела патологии, то в левой стороне имелась четко выраженная область — 27 мест измерений — низких скоростей (на рис. 5 граница области обо­ значена пунктиром).

При ультразвуковом обследовании больного П6 с диагнозом левосто­ ронней менингиомы в теменной области черепа были обнаружены в сред­ нем меньшие, чем для здоровых людей, скорости по черепу: со/с3 = 0,89. Кроме того, на левой стороне черепа в верхней его части была установ­ лена сравнительно небольшая область пониженных скоростей, но вне этой области скорости в левой части черепа по сравнению с правой также были выражены меньше, что, на наш взгляд, указывает на определен­ ное влияние патологического процесса на всю левую половину черепа.

У больного П7 была установлена злокачественная глиома в левой по­ ловине мозга. Скорость ультразвука в целом была значительно меньше, чем у здоровых людей. В левой стороне черепа была обнаружена сравни­ тельно большая область с низкими значениями си (пунктир на рис. 6).

Проведенные исследования показали, что с помощью использованной нами ультразвуковой методики можно установить расположение швов костей черепа, а также обнаружить патологические изменения в черепе н в мозге, относительно точно определить границы этих изменений. Пред­ ложенный нами метод ультразвукового контроля несложен и безопасен, поэтому он окажется полезным при точном установлении границы по­ вреждений черепа и мозга. После дальнейшего усовершенствования метод может быть рекомендован для профилактических осмотров насе­ ления с целью раннего выявления патологических процессов в голове.