книги / Экспериментальные методы в биомеханике

раторных условиях, но и непосредственно в клинической практике. Среди таких методик наибольший интерес представляют:

–лазерная и ультразвуковая допплеровская флоуметрия;

–компьютерная микроскопия;

–импедансометрия;

–контрастное лазерное спекл-изображение;

–магнитно-резонансная томография.

Методы лазерной и ультразвуковой допплерографии основаны на эффекте Допплера – явлении, которое возникает, когда источник волны и наблюдатель движутся друг к другу или друг от друга [5]. При этом частота, воспринимаемая наблюдателем, отличается от той, какую бы он наблюдал, будучи неподвижным по отношению к источнику. Если движение происходит в направлении к источнику, то кажется, что частота увеличивается пропорционально скорости, а если движение происходит от источника, то кажется, что частота уменьшается. Данные, связанные с эффектом Допплера, важны для оценки качества циркуляции крови, это дает возможность отслеживать скорость течения крови вдоль осей сосудов.

Метод ультразвуковой допплерографии основан на уменьшении частоты ультразвука, отражаемого от движущейся среды, в том числе от движущихся эритроцитов крови [5]. При этом сдвиг частоты пропорционален скорости движения крови в сосудах и углу между осью сосуда и датчиком. Ультразвуковая допплерография позволяет производить измерение линейной скорости кровотока через кожу в поверхностно расположенных сосудах. С помощью методов допплерографии можно в режиме реального времени определить [10]:

–скорость кровотока по исследуемым сосудам;

–ранние поражения различных сосудов;

–стенозы (сужение просвета) артерий головного мозга (также возможно определить их значимость);

–сужение, повышение или понижение тонуса венозных сосудов;

–нарушения кровотока;

–изменения стенок сосудов и их эластичности, которая меняется с возрастом в результате атеросклеротического поражения;

–сосудистый тонус (гипертонус, гипотония), во многом определяющий самочувствие пациентов.

151

Метод лазерной допплеровской флоуметрии основывается на оптическом неинвазивном зондировании тканей монохроматическим сигналом и анализе частотного спектра этого сигнала, отраженного от движущихся в тканях эритроцитов [5]. В регистрируемом сигнале закодирована информация о различных колебаниях потока эритроцитов как по их скорости, так и по объемному содержанию. В результате спектрального разложения сигнала на гармонические составляющие появляется возможность определить вклад различных ритмических составляющих, появляющихся за счет нейрогенных, миогенных, дыхательных, сердечных и других колебаний. Наиболее принципиальным является вопрос о том, какие частоты имеют физиологическое, а какие патогенетическое значение, поскольку этим определяется диагностическая стратегия использования лазерной доплерографии для оценки нарушений микроциркуляции и для нахождения объемной скорости кровотока.

Метод компьютерной капилляроскопии дает возможность исследовать состояние капиллярного кровотока в отдельном капилляре. Его разработка началась в конце 1980-х годов по заказу Российского космического агентства для изучения влияния длительной невесомости на микроциркуляторные процессы человека. В его создании принимали участие Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, Центральная клиническая больница Министерства путей сообщения, Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения и Центр «Анализ веществ»

[1, 2, 20].

Компьютерный капилляроскоп (рис. 4.1) состоит из осветительной системы, создающей и фокусирующей на ногтевом ложе пальца световое пятно. Для получения изображения используется микроскоп отраженного света, видеокамера, устройство коррекции изображения и компьютер с устройством записи видеофрагментов.

Исследование проводится сидя, после 15-минутного отдыха в условиях постоянства температуры в помещении (21–22 °С), и необременительно для пациента. Рука испытуемого находится на уровне сердца. Капиллярный кровоток, как правило, исследуется в эпонихии пальца руки, для чего палец помещается в специальное устройство для его фиксации (рис. 4.2).

152

Рис. 4.1. Компьютерный капилляроскоп [1]

Обработка первичной информации производится с помощью специально разработанного программного обеспечения, которое позволяет измерять многие параметры микроциркуляции, например:

–диаметр различных отделов кровеносного капилляра;

–линейную скорость капиллярного кровотока по отделам;

–объемную скорость капиллярного кровотока по отделам;

–перфузионный баланс

153

тока обусловлена сочетанием многих факторов: работы сердца, уровня системного артериального давления, состояния артериального отдела микроциркуляторного русла, состояния эндотелия капилляров, величины посткапиллярного сопротивления (обуславливаемого состоянием венозного отдела микроциркуляторного русла)

идр. Следовательно, параметры капиллярной гемодинамики отражают эффективность функционирования микроциркуляторного русла и, соответственно, уровень транскапиллярного обмена.

Метод импедансометрии основан на том факте, что все биологические ткани способны проводить как постоянный, так и переменный электрический ток и характеризуются определенным электрическим сопротивлением [7, 14]. Это сопротивление носит название полного электрического сопротивления, или импеданса.

Любая биологическая ткань состоит из клеточного компонента

икоммуникационных путей, включающих в себя сосудистое русло, межтканевые щели и т.д., каждый из которых характеризуется различным сопротивлением и различной способностью проводить электрический ток. Клеточный компонент проводит ток высокой частоты. Если представить биологическую ткань в виде аналоговой электрической модели, то она будет представлена в виде конденсатора (реактивное сопротивление). Коммуникационный компонент, представленный сосудами и межтканевыми щелями, проводит ток низкой частоты и на аналоговой электрической схеме биологической ткани будет представлен резистором (активное сопротивление).

Таким образом, импеданс является многокомпонентным понятием, позволяющим судить о функциональном состоянии различных компонентов биологической ткани. Импедансометрия используется в таких медицинских методиках, как диализ для измерения гидратации (или дегидратации) тела и распределения воды между внутри- и внеклеточным пространствами. Кроме того, с помощью импедансометрии определяют эффективность клеточного метаболизма.

Метод получения лазерного спекл-изображения основан на понятии спекла – зернистой интерференционной картины, которая получается при рассеивании когерентного излучения от различных

154

разбросанных частиц (например, форменных элементов в крови) [24]. Отдельные точки спекл-изображения очень малы вблизи от рассеивающей поверхности и увеличиваются в размере по мере удаления от нее. Если частицы движутся подобным друг другу образом, то спекл-структура движется с той же скоростью, что и частицы. Таким образом, по спекл-изображению можно измерить скорость движения крови.

Возможность использования методов ядерного магнитного резонанса в магнитно-резонансной томографии обуславливается тем, что человеческое тело на две трети состоит из воды, и при помещении человека в скрещенные магнитные поля – сильное постоянное и слабое переменное – наблюдается явление ядерного магнитного резонанса, основной вклад в который вносят ядра атомов водорода, входящие в состав молекул воды [21, 24]. Под воздействием магнитных полей ядра атомов водорода поглощают электромагнитное излучение и переходят в состояние с большей энергией. После прекращения действия переменного магнитного поля ядра атомов водорода возвращаются в исходное состояние, излучая на частоте, характерной для протонов. Это излучение регистрируется датчиками томографа, а обработка сигналов дает возможность восстановить двумерную или трехмерную картину пространственного распределения плотности атомов водорода.

Поскольку частота резонанса зависит от напряженности постоянного магнитного поля, то, если человека поместить в магнитное поле, постоянное по времени, но изменяющееся в пространстве (возрастающее или убывающее в одном из трех направлений), получится, что каждая плоскость, перпендикулярная направлению изменения магнитного поля, характеризуется своим значением напряженности и, следовательно, для каждого значения частоты переменного магнитного поля магнитно-резонансный сигнал будет регистрироваться только с узкого слоя. Таким образом, можно получить послойные изображения внутренних тканей.

Магнитно-резонансная томография наиболее широко используется для исследования кровообращения человеческого мозга, диагностики злокачественных опухолей, воспалительных процессов и т.д.

155

К настоящему времени полученные с помощью экспериментальных исследований микроциркуляции знания привели к значительному прогрессу в понимании механизмов регулирования течения крови и молекулярного обмена в микроциркуляторном русле многих органов и тканей при различных физиологических и патологических условиях (например, гипоксии, гипертонии, серповидноклеточной анемии, диабете, воспалении, сепсисе или раке). Тем не менее, среди сложных микроциркуляторных процессов осталось немало неописанных или недостаточно изученных явлений.

4.3.Контрольные вопросы

1.Что включает в себя понятие «микроциркуляция»?

2.Перечислите основные составляющие микроциркуляторного

русла.

3.Назовите основные особенности, отличающие движение крови в кровеносных капиллярах от течения в крупных кровеносных сосудах.

4.Каковы основные механизмы транскапиллярного обмена? Дайте краткую характеристику каждого из механизмов.

5.Перечислите методы неинвазивного исследования микроциркуляторного русла.

6.В чем состоит эффект Допплера? Как он используется для определения скорости кровотока.

7.Какие из методов исследования микроциркуляции могут применяться для изучения кровотока в отдельно взятом кровеносном капилляре?

8.Опишите строение компьютерного капилляроскопа. Какие параметры микроциркуляции можно измерить с помощью этого прибора?

9.Каким образом можно использовать метод ядерного магнит-

ного резонанса для изучения микроциркуляторных процессов? В чем преимущества этого метода?

156

Список литературы к главе 4

1. Компьютерный капилляроскоп / В.В. Баранов, С.М. Кленин, М.И. Кузнецов [и др.]. Центр «Анализ веществ». http://www.casmos.ru/

?pagem=razdels&pagein=neinvazglukoza&pagein2=info (2008).

2. Гурфинкель Ю.И. Возможности неинвазивной компьютерной капилляроскопии для количественной оценки параметров микроциркуляции в норме и патологии / Ю.И. Гурфинкель, М.И. Кудуткина // Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой систем: матер. Пятой научно-практической конференции. – 2003. – C. 66–73.

3.Механика кровообращения / К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер

[и др.]. – М.: Мир, 1981. – 624 с.

4.Козлов, В.А. Метод лазерной допплеровской флоуметрии: пособие для врачей / В.И. Козлов, Э.С. Мач, Ф.Б. Литвин. – М.,

2001. – 24 с.

5.Ультразвуковая допплерография в оценке состояния гемодинамики в тканях шеи, лица и полости рта в норме и при некоторых патологических состояниях / В.А. Козлов, Н.К. Артюшенко, О.В. Шалак [и др.] // Медицинская академия последипломного образования. СПб.: ООО «СП Минимакс», 2000. – 32 с.

6.Левтов В.А. Реология крови / В.А. Левтов, С.А. Регирер, Н.Х. Шадрина. – М.: Медицина, 1982. – 272 с.

7.Леонов С.Д. Импедансометрия селезенки / С.Д. Леонов, И.М. Прудников, А.В. Смородинов // Математическая морфоло-

В.М. Михайлов, Ю.И. Гурфинкель, М.И. Кудуткина [и др.] // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2005. – Т. 39. № 5 (53). –

С. 66–72.

9. Развитие метода компьютерной капилляроскопии для функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека / В.М. Михайлов, Ю.И. Гурфинкель, М.И. Кудуткина [и др.] // Ангиология и сосудистая хирургия: матер. II Всерос. науч. конф. «Микроциркуляция в клинической практике», 19-20 апреля

2006 г. – С. 72.

157

10.Никитин Ю.М. Ультразвуковая допплеровская диагностика сосудистых заболеваний / Ю.М. Никитин, А.И. Труханов. –

М.: Видар, 1998.

11.Парашин В.Б. Биомеханика кровообращения: учеб. пособие

/В.Б. Парашин, Г.П. Иткин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,

2005.

12. Старцева Ю.В. Микроциркуляторное русло человека при заболеваниях, требующих хирургического вмешательства: метод. рекоменд. Ч. 1: Морфология, функция и основные общие патофизиологические реакции / Ю.В. Старцева, В.А. Черкасов, И.В. Долгалева; ГОУ ВПО «Перм. гос. мед. академия Минздрава России». Пермь, 2004. – 21 с.

13.Ткаченко Б.И. Физиология кровообращения: физиология сосудистой системы / Б.И. Ткаченко. – Л.: Наука, 1984.

14.Способ определения полного электрического сопротивления (импеданса) биологических тканей / Г.Н. Федоров, Р.З. Гумиров А.В. Смородинов [и др.]. – Удостоверение на рационализаторское предложение №1480 от 12.12.05. – БРИЗ СГМА.

15.Федорович А.А. Капиллярная гемодинамика в эпонихии верхней конечности / А.А. Федорович // Регионарное кровообраще-

ние и микроциркуляция. – 2006. – Т. 5. № 17. – C. 20–28.

16.Чернух А.М. Микроциркуляция / А.М. Чернух, П.Н. Александров, О.В. Алексеев. – М.: Медицина, 1975. – 455 с.

17.Шариков А.Н. Массообмен веществ на уровне микроциркуляции / А.Н. Шариков // Современные проблемы биомеханики.

Т. 2. – Рига: Зинатне, 1983. – С. 137–159.

18.Fung Y.C. Biomechanics: circulation / Y.C. Fung. – New York, Berlin: Springer-Verlag, 1996.

19.Fung Y.C. Microcirculation: mechanisms of blood flow in capillaries / Y.C. Fung, B.W. Zweifach // Ann Rev Fluid Mech. – 1971. – Vol. 3. – P. 189–209.

20.Gurfinkel Yu.I. Computer capillaroscopy as a channel of local visualization, noninvasive diagnostics, and screening of substances in circulating blood / Yu.I. Gurfinkel // Optical Technologies in Biophysics and Medicine II, Proc. SPIE. – 2000. – Vol. 4241. – P. 467–472.

158

21. Moser K.W. Extraction and validation of correlation lengths from interstitial velocity fields using diffusion-weighted MRI / K.W. Moser, J.G. Georgiadis // Magnetic Resonance Imaging. – 2004. – Vol. 22. – No. 2. – P. 257–268.

22.Owens R.G. A new microstructure-based constitutive model for human blood / R.G. Owens // J. Non-Newtonian Fluid Mech. – 2006. – Vol. 140. – P. 57–70.

23.Popel A. Mechanics and transport in the microcirculation / A. Popel, R. Pittman // Biomechanics: principles and applications / Edited by D.J. Schneck, J.F. Bronzino. – London, New York, Washington: CRT Press, 2002.

24.Vennemann P. Full-Field Blood Velocity Measurement Techniques / P. Vennemann, J. Westerweel // Blood Flow Modelling and Diagnostics: Advanced Course and Workshop. Warsaw, June 20–23, 2005. Lecture notes. – Warsaw, 2005. P. 91–108.

159

Глава 5 ВИСКОЗИМЕТРИЯ КРОВИ

В последнее время в медицине большое внимание уделяется изучению реологических (вязкоупругих) свойств крови. Патологические изменения ее свойств лежат в основе возникновения и развития широкого класса заболеваний. Особенно это касается заболеваний артерий и вен. Кроме того, различные хирургические вмешательства всегда сопровождаются определенными изменениями реологических и коагуляционных свойств крови. Негативные тенденции в системе регуляции агрегатного состояния крови являются причиной тромбоэмболических осложнений как во время операции, так и в послеоперационном периоде. Практически при любых хирургических вмешательствах создаются условия для патологического тромбообразования, что является одной из причин летальных исходов. В связи с этим необходим постоянный мониторинг показателей реологических свойств крови для своевременной и адекватной коррекции нарушений, возникающих в системе ее агрегатного состояния.

5.1. Введение в реометрию

Реология – наука о деформировании и течении различных сред. В зависимости от типа среды можно выделить различные области этой науки. Например, реология полимеров рассматривает полимерные среды, биореология – биологические жидкости (такие как кровь, слизи и синовиальные жидкости); существует реология смазок и реология суспензий. В данном контексте тела могут твердыми, жидкими и газообразными.

Идеально твердое тело деформируется упруго. Энергия, необходимая для этой деформации, полностью возвращается при снятии напряжения. Идеально текучие системы, такие как жидкости или газы, деформируются необратимо – они текут. Энергия, необходимая для их деформации, переходит в теплоту, рассеивается и не может быть возвращена простым снятием напряжения. Реальные тела, в частности кровь человека и животных, никогда не являются

160