книги / Экспериментальные методы в биомеханике

Физиология и биомеханика возникли как науки экспериментальные. Богатейший набор фактов был получен в результате непосредственного изучения процессов жизнедеятельности живых организмов. На первых этапах развития физиологии основным методом исследования был метод наблюдения. Низкий уровень развития естествознания и техники не давал иных возможностей для исследования функций организма. Тем не менее методом наблюдения были открыты общая схема кровообращения (У. Гарвей); капилляры (Г.М. Мальпиги); принцип рефлекторной деятельности (Р. Декарт); закон сохранения материи (М.В. Ломоносов); «животное электричество» (Л. Гальвани) и др.

Метод наблюдения не утратил значения и в настоящее время, особенно при изучении целостных поведенческих актов. Вместе с тем метод наблюдения субъективен и позволяет фиксировать малое количество медленно изменяющихся параметров (от 1 до 3), устанавливая лишь качественную сторону явления.

Всовременных условиях в процессе исследования животных

ичеловека используют сложные приборы, точно устанавливающие

ирегистрирующие количественные изменения многих параметров. Такой подход позволяет получить целостное представление

о динамике функций организма, их взаимодействии и интеграции в адаптивном поведении.

Метод раздражения позволяет исследовать функциональное значение различных органов. Смысл этого метода заключается

втом, что при различных раздражениях (химических, механических, электрических и др.) тех или иных органов или структур можно наблюдать ответные реакции организма, его органов и систем, возникновение и характер распространения нервных процессов. Широко используют электрическое раздражение. В качестве раздражителя электрический ток удобен тем, что его легко дозировать, и при умеренных его величинах, достаточных для стимуляции, не происходит повреждения живых тканей. Метод раздражения позволил сделать важные открытия в физиологии и широко используется

всовременной нейрофизиологии.

Метод изоляции. На ранних этапах развития физиологии было важно понять роль отдельных органов в деятельности организма,

11

особенности и закономерности их функции. Этим целям служит метод полной и частичной изоляции органов.

Частичной изоляции органов достигают путем денервации, т. е. разобщения их нервных связей с другими органами и системами организма. Основным приемом денервации является перерезка всех видимых нервных ветвей. Сохранение жизненных свойств этих органов обеспечивают сохраненные сосудистые связи.

Наиболее надежным способом изоляции является удаление органа из организма и создание условий для его жизнеспособности. Такой исследовательский прием применяется для выявления функциональных свойств отдельных органов и тканей, для исследования их биохимической деятельности, определения реакций на химические вещества и т. д., а также в тех случаях, когда необходимо устранить возможно большее количество неконтролируемых воздействий. Изолированный препарат сохраняет жизнеспособность в течение многих часов, если во время эксперимента он находится в среде с соответствующими физическими и химическими характеристиками (необходимое содержание солей, определенная температура и pH, достаточный доступ кислорода).

Метод разрушения, экстирпации (от латинского extirpatio –

вырывание с корнем). Изоляция и удаление различных органов, тех или иных отделов центральной нервной системы дают информацию как о функциональном значении этих отделов и органов, так и о характере их взаимодействия. Разрушение структур достигается разными способами: механическим, термическим, электрическим, рентгеновским и лазерным излучением, ультразвуком и т. д.

Все описанные методики используются главным образом в так называемых острых опытах, требующих применения наркоза и сложных хирургических вмешательств. Каждый такой эксперимент является грубым воздействием на организм, резко нарушающим течение физиологических процессов. Вследствие этого огромное значение для физиологии имело введение академиком И.П. Павловым метода так называемого хронического эксперимента, позволяющего изучить характер физиологических процессов в целом неповрежденном организме при естественных условиях его существования. И.П. Павлов предложил для этого специальные

12

методические приемы: предварительное наложение фистул, выведение протоков желез и т. д. с помощью специальных предварительных хирургических вмешательств (физиологическая хирургия).

Сегодня для этих целей используют и другие методические приемы, основанные на достижениях современной радиоэлектроники, ядерной физики, оптики, акустики и других наук. Эти методические приемы позволяют изучать физиологические процессы в целостном организме без всякого предварительного хирургического вмешательства, поэтому они нашли широкое применение для изучения физиологических процессов непосредственно у человека, что повсеместно используется и в клинике, в функциональной диагностике и в исследовательских целях. Некоторые из таких методик описаны в настоящем пособии.

Учебное пособие состоит из предисловия, введения и одиннадцати глав. Первые две главы посвящены общей характеристике экспериментальных методов исследования физиологических систем. Последующие девять глав посвящены методам исследования отдельных систем и тканей организма человека. Предисловие написано редакторами учебного пособия Ю. И. Няшиным и Р.М. Подгайцем, введение написано Ю. И. Няшиным, Р.М. Подгайцем и В.Д. Тютюнщиковой.

Главу 1 «Исследование биоэлектрических процессов», главу 2 «Лучевые методы исследования и эндоскопия» (кроме раздела 2.7), главу 3 «Методы исследования сердечно-сосудистой системы» написала В.Д. Тютюнщикова. Раздел 2.7 «Инфракрасная термография» написали О.Б. Наймарк и О.А. Плехов.

Главу 4 «Исследование системы микроциркуляции» написала Н.С. Шабрыкина, главу 5 «Вискозиметрия крови» – И.К. Березин.

Главу 6 «Экспериментальные методы биомеханики костной ткани» написали совместно Ю.В. Акулич, В.Н. Ковров и Р.М. Подгаец.

Главу 7 «Современные методы исследования и описания структуры костной ткани человека» написали А.А. Киченко и В.М. Тверье.

Главу 8 «Методы исследования скелетных мышц» написала В.Д. Тютюнщикова.

Главу 9 «Методы анализа движений человека» написали А.В. Сотин и Р.М. Подгаец.

13

Главу 10 «Методы исследования респираторной системы» и главу 11 «Методы исследования центральной нервной системы» написала В.Д. Тютюнщикова.

Авторы выражают благодарность заведующей кафедрой патологической анатомии Пермской государственной медицинской академии имени академика Е.А. Вагнера доктору медицинских наук, профессору Генриетте Гергардовне Фрейнд и заведующему кафедрой общей физики Пермского государственного технического университета доктору технических наук, профессору Алексею Ивановичу Цаплину за обстоятельный разбор рукописи и полезные замечания при рецензировании учебного пособия.

14

Глава 1 ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Биоэлектрической активностью обладают так называемые возбудимые ткани, к которым относятся поперечнополосатые и гладкие мышечные волокна, нервные и секреторные клетки. Другими словами, большинство процессов жизнедеятельности организма сопровождается генерированием электрических сигналов, поэтому изучение биоэлектрической активности организма человека имеет большое значение для оценки процессов функционального состояния возбудимых тканей, развития процессов возбуждения, кодирования и передачи информации в организме.

1.1. Природа биоэлектрических явлений

Биоэлектрические процессы развиваются на мембране клеток и представлены потенциалом покоя (ПП) и потенциалом действия (ПД). Теория, объясняющая существование биоэлектрических явлений в тканях животных называется мембранно-ионной [2–5].

Роль ионов. Внутри и снаружи клеток организма регистрируется различная концентрация ионов калия, натрия, кальция и хлора. Биоэлектрическая активность живых организмов связана с перемещением ионов через клеточную мембрану по ионоселективным каналам.

Роль мембраны 1) Барьерная функция связана с наличием бислоя липидов, обеспечивающих избирательную проницаемость для жирорастворимых молекул и почти полную непроницаемость для ионов.

2) Транспортная функция связана с работой белковых каналов, по которым ионы перемещаются через мембрану.

Виды ионных каналов, их состояние. Различают неуправляе-

мые и рецепторуправляемые или потенциалзависимые каналы. Неуправляемые каналы всегда открыты и являются каналами утечки ионов. Состояние рецепторуправляемых каналов зависит от величины разности потенциалов между внутренней и наружной средой клетки. Каналы могут быть в открытом, закрытом и инактивиро-

15

ванном состоянии. Часть потенциалзависимого ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенного внутрь клеточной среды. С внешней стороны каналов для натрия имеются активационные m-ворота, с внутренней стороны клеточной мембраны инактивационные h-ворота. В условиях покоя активационные ворота закрыты, инактивационные преимущественно (около 80 %) открыты. Закрыты также активационные ворота калиевых каналов (инактивационных ворот для калия нет).

Открытие каналов приводит к пассивному транспорту ионов по градиенту концентрации и, как следствие, изменению заряда мембраны.

Потенциал покоя (ПП), его характеристика. Потенциал по-

коя – это разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, наружная – положительно. Величина ПП в скелетных мышцах –60 ... –90 мВ, в нейронах –50... –80 мВ, в кардиомиоцитах –85... –95 мВ, в железистой клетке –30 мВ. Различные гладкомышечные клетки имеют ПП от –20 мВ до –50 мВ (у клеток, не обладающих автоматией). Знак «–» означает отрицательный заряд внутренней стороны мембраны клетки.

Происхождение ПП. Внутри клетки преобладают ионы К+ (в 30–50 раз больше, чем снаружи). Na+ внутри находится в основном в связанном состоянии или в компартментах, т. е. иммобилизован. Снаружи клетки больше свободного Na+ (в 10 раз больше, чем внутри) и в 30 раз больше Cl– .

Ионы К+ пассивно (без затрат энергии) по градиенту концентраций выходят из клетки через открытые неуправляемые каналы для К и создают положительный заряд наружной стороны мембраны. Внутри остаются крупные анионы, которые не могут пройти через каналы для иона К+ и создают отрицательный заряд внутренней стороны мембраны. Но мембрана несколько проницаема и для Na+. Na+ идет внутрь и несколько снижает разность потенциалов, создаваемую выходящим К+.

Натрий-калиевый насос. Механизм поддержания мембранного потенциала и ионных градиентов. Несмотря на то, что в по-

16

PNRPU

кое происходит непрерывное перемещение ионов К+ из клетки и Na+ в клетку, концентрационный градиент К+ и Na+ по обе стороны мембраны сохраняется, так как поддерживается работой ионного насоса, осуществляющего активный транспорт ионов. Так называют систему энергозависимого переноса ионов через мембрану против концентрационного градиента. Переносчиком для Na+ и К+ является встроенная в мембрану Nа+ – К+ зависимая АТФаза. Работа переносчика обеспечивает удаление из клетки 3 иона Na+

ивозвращение в клетку 2 иона К+. Такой перенос ионов сопровождается увеличением внутренней отрицательности, а насос называется электрогенным.

Критический уровень мембранного потенциала (КУМП)

иего значение. У каждой клетки возбудимой ткани существует такое значение ПП, при достижении которого в мембране открываются активационные ворота потенциалзависимых каналов для натрия и натрий лавиной входит в клетку, возникает потенциал действия, происходит возбуждение клетки.

Рис. 1.1. Схема потенциала действия и его элементы

17

Потенциал действия (ПД), его фазы, ионный механизм. По-

тенциал действия – это быстрые колебания потенциала покоя под влиянием порогового или сверхпорогового раздражения. Роль потенциала действия состоит в том, что он кодирует параметры раздражения, передает информацию в организме. Схема ПД показана на рис. 1.1.

Условия возникновения ПД:

–пороговая сила раздражения,

–достаточная длительность,

–большая скорость нарастания раздражения.

Порогом раздражения называется минимальная сила раздражителя, способная вызвать возбуждение. Раздражитель пороговой силы открывает в мембране достаточное количество ионных каналов для Na+. Ионы входят в клетку и вызывают деполяризацию мембраны до критического уровня. С этого момента дальнейшего действия раздражителя не требуется, так как открываются активационные m-ворота потенциалзависимых каналов для Na+, который лавиной устремляется внутрь клетки и снижает внутреннюю отрицательность сначала до 0, а затем возникает перезарядка мембраны – овершут. Заряд внутри клетки становится положительным, снаружи отрицательным. При перезарядке мембраны до +20... +30 мВ происходит инактивация натриевых каналов, т.е. закрываются инактивационные h-ворота натриевых каналов. Вход натрия в клетку прекращается и начинается процесс реполяризации (восстановление исходного заряда мембраны клетки) за счет активации калиевых каналов и повышенного выхода калия из клетки. В некоторых клетках регистрируются следовые потенциалы (следовая деполяризация и гиперполяризация мембраны), т.е. ПП восстанавливается не сразу. Наличие следовых потенциалов, их выраженность и длительность зависят от вида клетки.

1.2. Области применения электрофизиологических исследований. Основные характеристики биосигналов

В исследовательской и диагностической практике наибольшее распространение получили [4]:

18

–электрокардиография, позволяющая контролировать состояние сердечно-сосудистой системы;

–электроэнцефалография, связанная с изучением электрической активности головного мозга;

–электронейромиография, дающая возможность оценить функциональное состояние нервно-мышечного аппарата.

Нейромиосигналы в последнее время весьма успешно используются в биоуправляемых протезах конечностей. Электроретинография и электроокулография применяются при оценке состояния вестибулярного аппарата и вестибулоокулярного рефлекса в космической медицине. Электрогастрография используется при оценке функционирования желудочно-кишечного тракта и перистальтики кишечника.

Основной проблемой при изучении биоэлектрической активности организма является повышение достоверности передачи информационных признаков полезного сигнала на фоне помех, которые наводятся на тело человека, и снижение искажений, вносимых каналом передачи информации. Дело в том, что на поверхности тела человека или животного одновременно присутствует большое число сигналов от различных систем организма, его органов и клеток (табл. 1.1.)

Как следует из таблицы 1.1, спектры большинства биосигналов перекрываются. Поэтому выделение одного требуемого сигнала из всей совокупности биопотенциалов, являющихся в данном случае помехами, затруднено. Помимо биосигналов, обусловленных активностью организма, на теле человека имеют место сигналы, связанные с методом отведения потенциалов, а также внешние наведенные помехи.

19

1.3. Усилители, электростимуляторы, электроды и датчики

Выделение полезных биосигналов, защита от помех при регистрации биоэлектрической активности осуществляется путем использования усилителей и регистраторов биопотенциалов с техническими характеристиками, соответствующими задачам исследования.

Усилители. Регистрация небольших электрических токов, возникающих при жизнедеятельности живых тканей, требуют применения усилительной аппаратуры и соответствующих датчиков. Основными требованиями к биологическим усилителям являются: высокий коэффициент усиления, линейность характеристик, большое входное сопротивление, малая постоянная времени, высокая помехозащищенность, низкий уровень собственных шумов. В ряде приборов необходимо использовать усилители постоянного тока.

Усилители биопотенциалов с электронным управлением

используются для автоматической подстройки или регулировки коэффициента усиления. Они выделяются в виде отдельного блока и устанавливаются в качестве промежуточного каскада в тракте усиления. Как правило, коэффициент усиления каскада может изменяться в пределах от 0 до 1, или от 1 до некоторого предельного значения, что определяется особенностями схемных решений.

Усилители с аналоговым управлением обеспечивают изме-

нение коэффициента усиления усилителя под действием электрического сигнала. Для этих целей необходимо использовать активный элемент, сопротивление которого практически линейно изменяется при изменении управляющего сигнала. Такими свойствами обладает полевой транзистор, который при малых напряжениях «стокисток» ведет себя как сопротивление, величина которого линейно зависит от напряжения на затворе.

Электростимуляторы. При исследовании биоэлектрических явлений в тканях организма часто используют метод раздражения. Для раздражения исследуемых объектов широко используют электрический ток, создаваемый электростимуляторами. Последние имеют различную конструкцию, сложность и обеспечивают возможность управления частотой, амплитудой, длительностью раздражающего стимула. Раздражающие сигналы могут быть также акустическими – фоностимуляторы, световыми – фотостимуляторы, электрическими – и др.

20