Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния исследований позвоночника и спинного мозга и технических средств их диагностики 14
1.1. Исследования биомеханики позвоночника 14
1.2. Исследования регионарной гемодинамики спинного мозга 26
1.3. Проницаемость кожных капилляров как параметр диагностики воспалительных заболеваний позвоночника 30
1.4. Поддержка принятия решения в лечебно-диагностическом процессе 45
1.5. Выводы 49
Глава 2. Компьютерное моделирование и диагностика в биомеханике позвоночника 53
2.1. Метод компьютерного моделирования в диагностике биомеханики структур позвоночника 54
2.2. Напряженно-деформированное состояние структур позвоночника в норме и при воспалительных заболеваниях 62
2.3. Биомеханические особенности развития компрессии спинного мозга при воспалительных заболеваниях позвоночника 19
2.4. Выводы 97
Глава 3. Неинвазивный допл еро графический метод исследования кровоснабжения спинного мозга 99
3.1. Анализ основных факторов, влияющих на состояние крово снабжения спинного мозга 100
3.2. Синтез потоковой модели кровоснабжения спинного мозга 103
3.3. Регуляция кровоснабжения спинного мозга 106
3.4. Моделирование кровоснабжения спинного мозга в норме и при разрушении структур позвоночника 108
3.5. Сущность предлагаемого доплерографического метода определения состояния спинальной гемодинамики 120
3.6. Экспериментальное исследование нарушения спинномозгового кровообращения 122
3.7. Обоснование требований к аппаратному комплексу 124
3.8. Анализ основных погрешностей 125
3.9. Выводы 127
Глава 4. Теоретическое и экспериментальное обоснование дерматокондуктометрического метода- синтез биотехнического комплекса диагностики туберкулеза 129
4.1. Анализ факторов, влияющих на состояния кожной микроциркуляции 130
4.2. Исследование механических характеристик слоя кожи in vivo... 133
4.3. Моделирование распределения перемещений в слое кожи 136
4.4. Расчет изменения электрической проводимости слоя дермы при изменении транскапиллярного обмена в случае воздействия на кожу отрицательным давлением 150
4.5. Сущность предлагаемого импедансометрического метода определения проницаемости кожных капилляров 156
4.6. 3-х электродная схема измерения 160
4.7. Модельные эксперименты 169
4.8. Исследование влияния степени обработки поверхности электродов 176
4.9. Выбор материала электродов 180
4.10. Исследование влияния поверхностного слоя кожи 182
4.11. Синтез структурной схемы биотехнического комплекса реализующего дерматокондуктометрический метод 185
4.12. Методическая схема исследования воспалительной реакции микроциркуляторного русла кожи на туберкулиновые пробы 185
4.13. Обоснование требований к аппаратному комплексу 187
4.14. Анализ основных погрешностей 191
4.15. Методы калибровки измерительного устройства 196
4.16. Выводы 197
Глава 5. Автоматизация поддержки принятия решения во фтизиовертебрологии . 199
5.1. Общая характеристика фтизиовертебрологических биотехнии-ческих систем 203
5.2. Методологические принципы проектирования медицинских систем поддержки принятия решения. 202
5.3. Информационное обеспечение систем поддержки принятия решения врача фтизиовертебролога 207
5.4. Программно-технологическая реализация систем поддержки принятия решения врача фтизиовертебролога 216
5.5. Выводы 220
Глава 6. Результаты клинической апробации : 224
6.1. Исследование факторов, определяющих компрессию спинного мозга 223
6.2. Клиническая апробация неинвазивного доплерографического метода оценки кровоснабжения спинного мозга. 230
6.3. Оценка клинической значимости дерматокондуктометричес-кого метода при диагностике нарушений микроциркуляции нижних конечностей у больных с компрессией спинного мозга 238
6.4. Оценка клинической значимости дерматокондуктометричес-кого метода при построении решающих правил дифференциальной диагностики туберкулеза 240
6.5. Прогнозирование результатов хирургического лечения заболеваний позвоночника, осложненных компрессией спинного мозга.. 246
6.6. Выводы 258
Заключение 260
Выводы. 274
Список литературы 277
Приложения 308
- Исследования регионарной гемодинамики спинного мозга
- Напряженно-деформированное состояние структур позвоночника в норме и при воспалительных заболеваниях
- Сущность предлагаемого доплерографического метода определения состояния спинальной гемодинамики
- Моделирование распределения перемещений в слое кожи
Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена актуальной проблеме создания методов и средств компьютерной диагностики позвоночника человека. Это обусловлено как ростом числа заболеваний позвоночника, имеющих, во многом, социальные корни, так и тяжестью осложнении, к которым они приводят. Для выбора адекватных лечебных воздействий и прогнозирования их результатов необходима разработка неинвазивных методов и средств исследований состояния структур позвоночника. Решение данной проблемы невозможно без всестороннего изучения взаимосвязи биомеханических закономерностей разрушения позвоночника, компрессии и гемодинамики спинного мозга.
Для формализации, количественного описания, исследования и прогнозирования протекающих в структурах позвоночника процессов используют различные технологии моделирования [Тиходеев С.А., 1990; Никитин Г.Д.и др., 1998; Орел A.M., 2001; Beaumont S. etal., 2000]. Стремительный рост вычислительной мощности современных компьютерных систем определил в последние годы появление и развитие методов и программных средств анализа напряженно-деформированного состояния сложных по геометрии, механическим свойствам материалов и характеру нагружения пространственных объектов. Применение таких технологий в изучении и диагностике заболеваний позвоночника открывает новые, недоступные до сих пор возможности для исследования биомеханических закономерностей развития деформации и разрушения его структур, особенностей развития компрессии спинного мозга. Однако отсутствие опыта подобных исследований в отечественной и зарубежной практике требует разработки соответствующей методологии.
Воспалительные заболевания позвоночника, такие как туберкулез или остеомиелит, являются одними из наиболее тяжелых поражений, при-
водящих не только к потере трудоспособности, но и к полному обездвиживанию (тстра- и параплегии) человека [Гарбуз А.Е., 1987; Safran О. et al., 1998; Hadjipavlou A.G., et al., 2000]. Они обладают наибольшей среди других заболеваний сложностью, многовариантностью разрушения структур позвоночника, требующей ранней диагностики и прогноза перспектив лечения. Это определило возможность их использования в качестве базы для апробации разрабатываемых в настоящей работе компьютерных технологий моделирования позвоночника.
Нарушения функций жизненно важных органов и систем организма, развивающиеся на фоне компрессии спинного мозга в результате воспалительного разрушения позвонка, усугубляют тяжесть течения заболевания и оказывают существенное влияние на результаты лечения [Иванова Т.Н., 1995; Theisen D., et al., 2000]. Недостаточная изученность зависимости этих нарушений от степени и уровня компрессии спинного мозга, этиологии патологического процесса потребовала разработки комплекса дополнительных технических методов и средств диагностики.
Согласно современным представлениям, на ранних этапах развития воспалительного процесса в позвоночнике возникают преходящие спонди-логенные нарушения кровоснабжения спинного мозга, обусловленные раздражением корешковых артерий при прохождении их через деформированные межпозвонковые отверстия [Скоромец А.А., и др., 1998]. Постоянная травматизация, длительный ангиоспазм приводят к органическим нарушениям в стенке артерии, питающей спинной мозг. Дальнейшее разрушение тел позвонков ведет к деформации и сужению межпозвонковых отверстий и экстравазальному стенозу корешковых артерий, что способствует развитию хронической ишемии спинного мозга [Clemenceau S., et al., 2000; Thompson MK., et al., 2000]. Сопутствующие заболевания, такие как гиперлипидемия, атеросклероз, сахарный диабет, гипертоническая болезнь и др. ускоряют развитие ишемии спинного мозга при воспалительных за-
болеваниях позвоночника и усугубляют тяжесть ее течения [Олейник RB., 2001].
Для исследования сосудистого русла спинного мозга используются различные интраоперационные и пункционные инвазивные методы [Ide R., et al., 1997; Youg W.F., et al., 2000], Разработка неинвазивных методов диагностики системы кровоснабжения спинного мозга открывает перспективы более широкого обследования и выбора адекватного метода лечебного воздействия еще до операции.
Особое место в диагностике и оттенке тяжести осложнений воспалительных заболеваний позвоночника занимают исследования нарутпений на уровне микроциркуляторном русле, где, в конечном счете, реализуется транспортная функция сердечно-сосудистой системы [Чернух A.M. и др. 1984]. В этой связи принципиальное значение приобретает разработка новых методов и технических средств исследования и контроля параметров, характеризующих состояние транскапиллярного обмена.
Для определения инфицированности организма микобактериямтт туберкулеза и его реактивности применяются различные виды кожно-аллергических проб, суть которых заключается в оценке размеров очага специфического воспатения, возникающего в ответ на внутрикожное введение туберкулина [Цовгалюк И.Ф. и др., 1997; Nyren М, et al., 2000]. Метод недостаточно объективен, поскольку диаметр папулы (кожного очага воспаления при реакции Манту) определяется не только реактивностью организма, но и многими другими факторами.
Наиболее информативными с точки зрения изучения процессов воспаления в коже являются методы исследования проницаемости кожных капилляров. Традиционные методы этих исследований не могут применяться для оценки результатов туберкулиновых проб в силу ряда причин, к которым можно отнести в первую очередь инвазивность, качественный характер информации, субъективный подход к ее оценке, зависящий от квали-
фнкации врача, трудности в стандартизации.
Разрабатываемый в работе авторский неинвазивный дерматокондук-тометрический метод определения проницаемости кожных капилляров лишен указанных недостатков. Метод основан на принципах классической теории электроразведки [Хмелевский В.К. и др., 1994], свидетельствующих о возможности оценки удельного электрического сопротивления в глубине объемного многослойного образца по распределению потенциала на его поверхности при заданной конфигурации электромагнитного поля. Практическая реализация метода требует решения задачи выбора схемы измерения, формы и конструкции электродов, параметров измерительного тока.
Многомерность пространства клинико-экспериментальных данных, характерная для диагностического процесса во фтизиовертебрологии, их разнородность, отсутствие модельной поддержки для индивидуального прогноза состояния пациента затрудняют и замедляют задачу принятия адекватного диагностического решения, что делает актуальным разработку принципов построения соответствующих компьютерных систем поддержки принятия решения.
Таким образом, важность и актуальность разработки эффективных технических средств диагностики воспалительных заболеваний позвоночника, отсутствие комплексных систематических исследований биомеханики позвоночника при спондилитах, взаимосвязи воспалительных заболеваний позвоночника с неврологическими, гемодинамическими и психологическими расстройствами, послужило основанием для выполнения данной работы.
Решение комплекса перечисленных вопросов имеет как научно-техническое, так и большое социальное и народно-хозяйственное значение. Разработка специализированных биотехнических компьютерных систем может способствовать повышению достоверности ранней диагностики
воспалительных заболеваний позвоночника, снижая риск ошибок при определении этиологии заболевания, степени компрессии и жизнеспособности спинного мозга, что является определяющим для выбора дальнейшей тактики лечения и проведения медико-социальной экспертизы.
Целью настоящей работы является разработка методов и средств диагностики и прогнозирования патологических изменений биомеханики структур позвоночника человека на основе современных компьютерных инженерных технологий.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Разработать метод и определить средства компьютерного моделирования для диагностики и прогнозирования изменений биомеханики структур позвоночника. Исследовать их возможности для оценки динамики рентгенометрических показателей деформации позвоночного канала и компрессии спинного мозга при воспалительных заболеваниях.
Обосновать метод и определить средства неинвазивной доплерогра-фической оценки кровоснабжения спинного мозга.
Разработать метод и биотехнический комплекс диагностики и исследования нарушений микроциркуляции при воспалительных заболеваниях позвоночника. Провести их теоретико-экспериментальное обоснование.
Разработать принципы построения автоматизированной системы поддержки принятия решения врача фтизиовертебролога при определения метода лечения.
Исследовать возможности разработанного комплекса методов и средств для анализа и прогнозирования биомеханических нарушений структур позвоночника, приводящих к его разрушению и ухудшению общего состояния больного.
В работе использованы методология и математические методы системного анализа, теория синтеза биотехнических систем, численные мето-
ды в решении задач теории упругости, теория электропроводности электролитов, теория электроразведки, методы математической статистики, методы машинной обработки экспериментальных данных. Научную новизну работы составляют:
Метод и средства компьютерного моделирования биомеханики позвоночника на примере деструкции позвонка. Биомеханические модели разрушения позвоночника при воспалительных заболеваниях, на основе которых разработаны расчетные рентгенометрические показатели, характеризующие деформацию позвоночного канала и степень компрессии спинного мозга
Метод и средства неинвазивной оценки артериального кровотока в спинном мозге. Модель гемодинамики спинного мозга, позволяющая исследовать нарушения его кровоснабжения при воспалительных заболеваниях позвоночника.
Дерматокондуктометрический метод неинвазивной оценки нарушений микроциркуляции при воспалительных заболеваниях позвоночника. Обоснованная и подтвержденная экспериментально и клинически связь между изменениями параметров транскапиллярного обмена и кондуктивными изменениями слоя дермы. Принципы построения электродной системы для их исследования.
Решающие правила диагностики, оценки и прогноза состояния организма при воспалительных заболеваниях позвоночника, полученные на основе статистического анализа комплексного исследования 246 пациентов с использованием различных клинических методов.
Принципы построения средств автоматизированной информационно-вычислительной поддержки принятия решения врача фтизиовертебролога.
Достоверность полученных результатов подтверждена практическим совпадением экспериментальных и клинических данных, соответствием результатов, полученных аналитическими и численными методами, а также сравнением полученных данных с результатами других авторов.
-п-
Практическая ценность диссертации. Комплекс проведенных исследований, предложенные методы и способы позволили впервые сформулировать и решить проблему создания эффективных технических средств диагностики изменений биомеханики структур позвоночника при воспалительных заболеваниях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- разработанный метод компьютерного моделирования биомехани
ки позвоночника, включающий типовые расчетные схемы и пространст
венные геометрические модели структур позвоночника, адаптируемые к
индивидуальным особенностям человека с помощью специальных рентге
нометрических показателей, позволяет с помощью выбранных программ
ных средств объективно исследовать изменения биомеханики структур по
звоночника и прогнозировать течение патологического процесса;
- разработанный неинвазивный доплерографический метод исследования кровоснабжения спинного мозга позволяет с помощью выбранного комплекса аппаратно-программных средств объективно оценить изменения кровотока в отдельных сегмеїггах спгашого мозга при заболеваниях позвоночника, приводящих к деформации и разрушению его элементов;
разработанный неинвазивный дерматокондуктометрический метод и реализующий его биотехнический комплекс исследования проницаемости кожных капилляров, основанные на оценке кондуктивных изменений слоя дермы по изменению потенциалов на поверхности кожи с помощью специальной трехэлектродной фокусирующей системы, позволяют: 1) диагностировать изменения регионарной гемодинамики при воспалительном разрушении структур позвоночника; 2) при оценке реакции Манту диагностировать туберкулез эффективнее других известных методов;
установленные в результате многофакторного анализа прогностические критерии и разработанные на их основе математические модели позволяют прогнозировать эффективность лечения больных в рамках разработанной информационно-вычислительной системы поддержки принятия решения врача фтизиовертебролога.
Реализация работы. Результаты исследования используются в клинической практике в ГУ «СПбНИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ», Санкт-Петербургской клинической больнице Медицинского объединения РАН, ГУЗ «Дорожная клиническая больница Октябрьской железной дороги» МПС РФ, используются в учебном процессе на кафедре фтизиатрии СПбМАПО, в рамках курса биомеханики кафедры прикладной механики и инженерной графики СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и Рязанской радиотехнической академии, в рамках курса "Информатика" в СПб филиале РТА. По материалам диссертации издано пять учебных пособий, на одно из которых получен гриф УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 653900 "Биомедицинская техника".
Связь с государственными программами. Исследование было поддержано персональным грантом Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования России.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях и съездах, в том числе: научно-практической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 97й (С.-Петербург, 1-3 июля 1997 г. и 30 июня - 2 июля 1998 г.); Международной конференции по микроциркуляции (Москва-Ярославль, 25-27 августа 1997 г.); научно-практической конференции "Человек, окружающая среда и туберкулез" (Якутск, 20-21 ноября 1997 г.); юбилейной конференции, посвященной 100-летию Санкт-Петербургского Государственного медицинского университета им. акад. И.П.Павлова "Прогресс и проблемы в лечении заболеваний сердца и сосудов" (С.-Петербург, 8-11 декабря 1997г.); конференции по проблемам внезапной смерти (С.-Петербург, 25-27 мая 1998 г.); Российской научно-практической конференции "Сердечная недостаточность. Актуальные проблемы патогенеза и терапии" (С.-Петербург, 25-26 июня 1998 г.); Научной молодежной школе по твердотельным датчикам (С.-Петербург, 23-25 ноября 1998 г.); Научной конференции, посвященной 200-летию ВМедА (С.Петербург, 27 апреля 1999 г.); II Съезде биофизиков России (Москва, 23-27 августа 1999 г.); П международной конференции "Микроциркуляция и ге-
мореология" (Ярославль-Москва, 29-30 августа 1999 г.); II конференции ассоциации флебологов России (Москва, 6-7 октября 1999 г.); III (Владимир, 17-19 июня 1998 г.), IV (Владимир, 27-30 июня 2000 г.) и V (2002 г.) международных научно-технических конференциях "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии"; IV (Нижний Новгород, 1-5 июня 1998 г.), V (Нижний Новгород, 29 мая-2 июня 2000 г.) и VI (Нижний Новгород, 20-24 мая 2002 г.) Всероссийских конференциях по биомеханике; конференции, посвященной памяти М.М. Авербаха (к 75-летию со дня рождения) "Туберкулез сегодня: проблемы и перспективы" (Москва, 13-14 мая 2000 г.); Second International Conference, Madrid, Spain, 19-21 June 2000; научно-технической конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (Волгоград, 19-21 сентября 2000 г.); Международной научно-технической конференции "БИОМЕДПРИБОР-2000" (Москва, 24-26 октября 2000 г.); V (Санкт-Петербург, 14-19 декабря
г.) Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов; VII (Санкт-Петербург, 17 апреля 2001 г.), VIII (Санкт-Петербург, 24 апреля
г.) и IX (Санкт-Петербург, 23 апреля 2003 г.) Международных конференциях по современным технологиям обучения; Международных конференциях по мягким технологиям измерений SCM-2000 (Санкт-Петербург, 25-27 июня 2001 г.), SCM-2001 (Санкт-Петербург, 25-27 июня 2001 г.), SCM-2002 (Санкт-Петербург, 25-27 июня 2001 г.) и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (1998-
гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, из них 3 Патента Российской Федерации на изобретение.
Диссертация изложена на 276 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, шести глав собственных исследований, заключения и выводов. Список литературы включает 356 источников, из которых 142 отечественных и 214 зарубежных. Работа иллюстрирована 103 рисунками и 29 таблицами.
Исследования регионарной гемодинамики спинного мозга
По мнению ряда авторов [179, 256], сосудистые нарушения являются одним из ведущих патофизиологических механизмов развития неврологических расстройств при воспалительных заболеваниях позвоночника, осложненных компрессией спинного мозга-Исследования на животных [226, 266, 309, 323], при которых моделировались различные виды поражений спинного мозга, выявили связь между нарушениями нормальной авторегуляции, уменьшением спиналь-ного кровотока и тяжестью моделируемых поражений. Было доказано, что острая и хроническая компрессия спинного мозга приводит к выраженному нарушению регионарной артериальной гемодинамики [148, 169, 214, 234, 280, 290, 297] и последующей миелоишемии [146, 208]. Согласно современным представлениям, на ранних этапах развития воспалительных заболеваний позвоночника существенное значение имеют преходящие спондилогенные нарушения кровоснабжения спинного мозга, обусловленные раздражением корешковых артерий при прохождении их через деформированные межпозвонковые отверстия. Постоянная травма-тизация артериальной стенки, длительный ангиоспазм рано или поздно приводит к органическим нарушениям в стенке артерии. Последующая деформация и сужение межпозвонковых отверстий, вследствие дальнейшего разрушения тел позвонков, приводит к экстравазальному стенозу корешковых артерий и развитию хронической ишемии спинного мозга [179, 256]. Сопутствующие заболевания, такие как гиперлипидемия, атеросклероз, сахарный диабет, гипертоническая болезнь и т.п. ускоряют развитие ишемии спинного мозга при воспалительных заболеваниях позвоночника и усугубляют тяжесть ее течения [653 88,237]. Чем быстрее нарастает компрессия спинного мозга и, соответственно, нарушение его кровоснабжения, тем выраженнее ишемия и неврологические расстройства [244, 334]. Быстрое развитие ишемии при котором не успевает сформироваться коллатеральный кровоток приводит к необратимым изменениям спинного мозга [238, 253, 349]. С другой стороны, постепенное, длящееся годами нарастание деформации позвоночника и, соответственно, компрессии спинного мозга, может протекать без выраженной миелоишемии за счет развития коллатерального кровотока [75, 173].
Так же установлено, что при любом экстрадуральном процессе в позвоночном канале, приводящем к сдавлению его содержимого, происходит нарушение кровотока в эпидуральных венах на уровне компрессии [28]. Известно, что нарушение венозного кровотока рефлекторно влияет на артериальный кровоток [78, 333]. Длительные нарушения кровоснабжения спинного мозга, постоянная его травматизация в области кифоза вследствие пато деформированные межпозвонковые отверстия. Постоянная травма-тизация артериальной стенки, длительный ангиоспазм рано или поздно приводит к органическим нарушениям в стенке артерии. Последующая деформация и сужение межпозвонковых отверстий, вследствие дальнейшего разрушения тел позвонков, приводит к экстравазальному стенозу корешковых артерий и развитию хронической ишемии спинного мозга [179, 256]. Сопутствующие заболевания, такие как гиперлипидемия, атеросклероз, сахарный диабет, гипертоническая болезнь и т.п. ускоряют развитие ишемии спинного мозга при воспалительных заболеваниях позвоночника и усугубляют тяжесть ее течения [653 88,237]. Чем быстрее нарастает компрессия спинного мозга и, соответственно, нарушение его кровоснабжения, тем выраженнее ишемия и логической подвижности костных фрагментов приводят к дегенеративно-дистрофическим изменениям в веществе мозга, которые рано или поздно становятся необратимыми [46,48]. Прижизненное исследование сосудистого русла спинного мозга является актуальной, но довольно сложной проблемой. Существующая методология представлена на рис. 7. Косвенно о гемодинамике спинного мозга можно судить по результатам радиоизотопной сцинтиграфии, достаточно широко применяемой в клинических и экспериментальных исследованиях [217, 236]. Исследование венозного сосудистого русла позвоночного капала и спинного мозга возможно при веноспондилографии [28, 43], доступной практически в любом лечебном учреждении. Исследование артериального кровотока в спинном мозге значительно сложнее. Известен способ селективной ангиографии артерий спинного мозга, заключающийся в введении контрастного вещества в корешковую артерию путем ее катетеризации из просвета аорты [172, 241]. Недостатком данного способа является его инвазивность, высокая стоимость и большая лучевая нагрузка на пациента
Напряженно-деформированное состояние структур позвоночника в норме и при воспалительных заболеваниях
У здорового человека имеет место начальное физиологическое искривление позвоночника. Угловые взаимоотношения позвонков определяются измерением угла, образованного пересечением линий, проведенных по заднему контуру тел смежных позвонков (рис. 15, а). Измеряется острый угол. Если он расположен кпереди от заднего контура тела вышележащего позвонка, то отражает наличие углового лордоза. Если кзади, то наличие углового кифоза. Минимальные значения угловых взаимоотношений позвонков наблюдаются на уровне С1-С2 (-19) и L4-L5 (-15), а максимальные — на уровне Theh? и Th7h8 (6.5) [52, 53]. Для исследования распределения напряжений и деформаций в позвоночнике в целом, в интересах определения наиболее опасных, с позиций разрушения, его участков построим следующие модели [7, 8,19]. Как было показано в гл. 1. адекватное представление о напряженно-деформированном состоянии позвоночника может быть получено при его представлении в виде криволинейного стержня [48] или стержня, состоящего -из отдельных звеньев с эксцентричной массой головы на одном конце [77]; второй конец стержня может быть заделан или закреплен шарнирно. Экспериментальное обоснование подобных расчетных схем, а также попытка вывода уравнения, описывающего форму позвоночника как криволинейного пространственного стержня, представлено в работе [64]. Таким образом было показано, что пространственный криволинейный стержень, аппроксимирующий форму позвоночника имеет естественную деформацию изгиба и закручивания. Таким образом, рассмотрим позвоночник в виде криволинейного стержня квадратного сечения (рис. 13). Площадь стержня, в соответствии с анатомическими особенностями позвоночника, равномерно уменьшается в направлении от нижнего (каудального) отдела к верхнему (краниальному), так что отношение площадей поверхностей краниального конца к каудальному составляет 1:6. Материал стержня был выбран как изотропный с модулем упругости Я=Ы08 Па, и коэффициентом Пуассона v=0.3. Нижний конец стержня жестко закреплен, к краниальному концу приложена моделирующая вес головы сила Рг направленная вертикально вниз.
К передней (вентральной) и задней (дорсальной) поверхностям стержня приложены одинаковые силы рса, равномерно распределенные по всей площади воздействия и направленные вертикально вниз, моделирующие связи, передающиеся от мышц, связок и других систем организма Указанные нагрузки выбирались на основе антропометрических соотношений массовых характеристик частей тела человека, известных из литературы и литературных данных о действии мышц, обеспечивающих прямохождение [157,180,318,332]. Построенная геометрическая модель была разбита на 972 конечных элемента. Результаты исследования представлены на рис. 13 и позволяют сделать вывод, что максимальные напряжения (по Мизесу) концентрируются в передних отделах позвоночного столба на высоте грудного кифоза. Построенная модель, несмотря на относительную простоту, позволяет оценить распределение напряжений в позвоночном столбе. Однако, недостаточная детализация конструкции позвоночника не позволяет проводить на ее основе исследование напряжений, возникающих в отдельных позвонках и межпозвонковых дисках, моделировать протекающие в них патологические процессы. С целью устранения этих недостатков была построена следующая модель позвоночника с детализированным представлением элементов его структуры. Основой данной модели для детализированного исследования напряженно-деформированного состояния позвоночника является расчетная схема (рис. 14, а) по которой он представлен в виде пространственной структуры, состоящей из 43 звеньев, моделирующих 22 позвонка (с 3 шейного по 1 крестцовый) и 21 межпозвонковый диск (с См по Ls-Si). Все позвонки имели кубическую форму (рис. 15, б). При этом ребро каждого вышележащего позвонка было меньше ребра нижележащего на 0.1 мм. Каждый позвонок состоял из губчатой и компактной кости. Толщина компактной кости считалась равной 0.1 мм. В соответствии с литературными данными [34, 44, 180, 245, 249, 332] материал компактной и губчатой кости рассматривался как изотропный. Модуль упругости для компактной кости принимался равным ,=1.61-108 Па, для губчатой - Ег = 0.76 106 Па Коэффициент Пуассона принимался равным для компактной кости vK=0,25, для губчатой vr — 0.4. Межпозвонковые диски считались состоящими из annulus fibrosus и nucleus pulposus. Форма диска выбиралась в соответствии с известными из литературы угловыми взаимоотношениями смежных позвонков [243, 276, 340]. Материал annulus fibrosus рассматривался как анизотропный с модулем упругости в продольном направлении ,,=8.0-107 Па и в поперечном направлении аГюш—2.0- 10 Па. Материал nucleus pulposus рассматривался как изотропный с модулем упругости Ещг 1.0-109 Па Нижняя поверхность Si позвонка считалась жестко закрепленной. Соединение тел позвонков и межпозвонковых дисков осуществлялось из условия отсутствия их взаимного перемещения в плоскости соединения. К верхней поверхности Сз позвонка была приложена сила Рт моделирующая вес головы [213]. К вентральной и дорсальной поверхностям каждого позвонка были приложены силы, направленные по касательной вниз, моделирующие сжимающие силы, действующие на позвонок [166, 324]. Конечно-элементная модель была построена при разбиении геометрической модели на 12185 конечных элементов. Результаты исследования напряжений в передних отделах тел моделируемых позвонков (с Сз по Si) представлены на рис. 14, в.
Полученные данные о распределении напряжений согласуются с результатами, полученными на первой модели, и свидетельствуют о неравномерности распределения напряжений в позвоночным столбе у здорового человека. Максимальные напряжения наблюдаются в передних отделах ТЬт-ТЬв позвонков - на высоте грудного кифоза. На рис. 15 представлена зависимость полученных в результате моделирования напряжений в передних отделах тел позвонков и клинических данных о средней протяженности деструкции (количество пораженных позвонков) от уровня поражения позвоночника Клинические данные свидетельствуют о максимальной протяженности деструкции позвоночника на уровне грудного отдела позвоночника (ТЬт-ТЪю позвонков). На этом же уровне, как отмечалось, наблюдаются максимальные напряжения в передних отделах тел позвонков. Хорошее согласование результатов конечно-элементного моделирования с клиническими данными позволяет сделать вывод об адекватности построенных моделей и клинической значимости результатов моделирования, объясняющих биомеханику зависимости протяженности деструкции от уровня поражения позвоночника. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) вторая расчетная схема позволяет создавать на своей основе конечно-элементные модели, адекватно описывающие напряженное состояние в позвоночнике, что подтверждается результатами клинических исследований; 2) исходные биомеханические характеристики позвоночно-двигательного сегмента (уровень и угловые взаимоотношения позвонков) имеют высокую значимость для прогнозирования течения воспалительного процесса, деформации позвоночника и развития компрессии спинного мозга. С целью исследования напряженного состояния в позвонке при обусловленном воспалительным процессом изменении механических свойств составляющих его тканей была построена модель тела позвонка (рис. 16). Модель состоит из сопряженных друг с другом корковой и спонгиоз-ной (губчатой) частей тела позвонка. Форма и размеры тела позвонка выбраны на основе литературных данных [161, 197, 219, 249, 318, 324, 332, 343]. Нижняя часть тела позвонка считалась жестко закрепленной, по нормали к верхней поверхности была приложена сила Р7 моделирующая воздействие верхней части туловища Разрушение губчатой ткани вследствие развития в ней деструктивного воспалительного процесса (например, туберкулезной этиологии) моделировалось уменьшением её модуля нормальной упругости с Е,гО,76Л06 Па до 0 Па. При этом модуль нормальной упругости компактной костной ткани считался постоянным и равным =1,61-108 Па. Геометрическая модель была разбита на 2176 конечных элементов (рис. 16, б). Результаты исследования напряжений в теле позвонка представлены нарис. 16, б, в.
Сущность предлагаемого доплерографического метода определения состояния спинальной гемодинамики
Полученные в настоящей главе результаты исследования факторов, воздействующих на систему кровоснабжения спинного мозга (изменяющееся напряженно-деформированное состояние позвоночника, приводящее к разрушению его структур и росту тканевого давления на сосуды, питающие спинной мозг) предоставили возможность определить наиболее рациональные требования к условиям реализации неинвазивного доплерографического метода. Оптимизация этих условий в интересах получения требуемого массива информации посредством применения доплерографического метода реализована в Заявке на Патент Российской Федерации на изобретение N 200 Ш 4749 от 29 мая 2001 г. Сущность предложенного метода заключается в оценке спинального кровотока путем измерения скорости потока крови в межреберных и поясничных "сегментарных") артериях, доступных для исследования. При этом производится ультразвуковая доплерографи-ческая регистрация кровотока в сегментарных артериях на уровне выше (и/или ниже) поражения; при снижении средней линейной скорости тока крови на уровне поражения более, чем в 1,2 раза судят о нарушении артериального кровотока в исследуемом сегменте спинного мозга Исследование кровотока в сегментарных артериях производится датчиком 8 МГц на уровне поражения позвоночника и выше (и/или ниже) его. Для исследования кровотока в сегментарных артериях датчик располагают в проекции исследуемого сосуда (на уровне грудного отдела позвоночника в проекции межреберного пространства) паравертебрально под углом 30 к кровотоку в исследуемом сосуде. Учитывая, что в исследуемом сосуде доплеровский сигнал в значительной степени зависит от угла наклона ультразвукового датчика по отношению к току крови и от давления, которое он оказывает на ткани, было разработано устройство для фиксации датчика Доплера [б], рис. 45.
Устройство представляет собой планку-держатель на которой закреплена одним концом пружина. Второй конец пружины через патрон фиксируется на ультразвуковом датчике Доплера, который скользит вдоль планки-держателя по направляющим. Давление датчика на ткань контролируется по делениям, нанесенным на планку-держатель. Планка-держатель фиксируется с помощью стандартной фотострубцины, позволяющей располо жить и зафиксировать ультразвуковой датчик под оптимальным углом по отношению к току крови в исследуемом сосуде. Основной целью модельных экспериментов являлось подтверждение правильности теоретических исследований изменения интенсивносгей потока крови в магистральных сосудах, питающих спинной мозг: обоснование характеристик доплеровского измерительного преобразователя и применяемого метода измерения. Для проверки теоретических зависимостей, полученных в п.п. 3.2-3.3. была проведена серия модельных экспериментов с использованием гидродинамической модели кровеносного русла спинного мозга. Проводились измерения изменения скорости потока крови в "радикуло-медуллярных артериях" при различных гемодинамических параметрах остальных элементов системы. Поскольку протяженность деструкции позвоночника обычно составляет не более 4 позвонков, то и моделировался участок позвоночника длиной в 5 позвонков. При моделировании соблюдался принцип подобия для геометрических размеров и физических свойств используемых материалов, принятый при построении моделей сосудистой системы человека и животных [68, 142], технологиях поверки ультразвуковой медицинской аппаратуры [99, 100]. Таким образом, система кровоснабжения спинного мозга имитировалась системой трубопроводов с различными величинами гидродинамического импеданса составляющих ее элементов. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 46. Использовалась ванна, изготовленная из стекла с габаритами 500x300x200 мм. Участок аорты в области отхождения от нее радикуломедуллярных артерий имитировала стеклянная трубка 0 24 мм. с фланцами, обеспечиваю щими крепление к ней ПВХ трубок внутренним 0 1 мм, имитирующих ра-дикуломедуллярные артерии. Спинномозговые артерии имитировались с помощью трубок внутренним 0 0.5 мм. Стеноз сосудов, обусловленный компрессией спинного мозга определенной протяженности, имитировался пережатием соответствующих элементов системы с помощью специальных запорных устройств. В качестве рабочей жидкости использовался 33% раствор глицерина в 0,9% растворе хлорида натрия, соответствующего по своей вязкости крови [225]. Давление рабочей жидкости создавалось с помощью роликового насоса от аппарата искусственного кровообращения "СИНУС-1М" и измерялось с помощью манометра. Измерение скорости потока крови в "радикуломедуллярных артериях" осуществлялось с помощью датчика доплера 6 МГц, в "спинномозговых" артериях с помощью лазерного доплеровского датчика фирмы "Ульт-расоник".
Моделирование распределения перемещений в слое кожи
При воздействии на участок кожи отрицательным давлением происходит деформация кожного слоя. Степень деформации, ее локализация определяют изменения проницаемости кожных капилляров. Исследование деформации кожи встречает на своем пути определенные трудности из-за неоднородности ее структуры и большого разброса механических свойств слагающих ее материалов. Моделирование слоя кожи с точным учетом ее биомеханических особенностей фактически невозможно, так как кожа, являясь биологической тканью, претерпевает постоянные изменения за счет процессов роста, старения и протекающих в организме, в целом, патологических процессов. Это приводит к необходимости принятия соответствующих допущений. Исследования влияния деформации кожи на изменение параметров транскапиллярного обмена требует проведения анализа распределения перемещений как в самом слое кожи, так и в подкожных тканях. Для этого нами были построены расчетные схемы и математические модели [15, 20, 30], описанные ниже. Во всех случаях участок кожи с подкожными тканями в окрестности кюветы представляли пластиной, находящейся под действием распределенной осесимметричной нагрузки на круге радиусом равным радиусу вакуумной кюветы. Вычисления производились с использованием метода компьютерного анализа напряженно-деформированного состояния структур человеческого организма, разработанного в п.2.1. При построении расчетной схемы, отражающей поведение исследуемого участка кожи, важным моментом является выбор материала. В соответствии с [44, 250], кожа проявляет линейность зависимости между напряжениями и деформациями в диапазоне небольших деформаций, что позволяет, при построении расчетных схем кожи при используемом характере нагружения, рассматривать ее материал как следующий закону Гука, Размеры исследуемого участка кожи много больше имеющихся на микроуровне неоднородностеи структуры кожи, что позволяет рассматривать ее материал как однородный. В соответствии с принципом
Сен-Венана достаточно [33] рассмотреть участок кожи в виде цилиндра, имеющего в основании круг с радиусом в 3..4 раза большим радиуса вакуумной кюветы и высотой, большей толщины кожного слоя также в 3.,4 раза, при этом все размеры имеют один порядок, что дает возможность использовать расчетную схему пластины. Три слоя: эпидермис, дерма и подкожная ткань соединены последовательно. Это дает возможность записать выражение для их приведенной жесткости в виде: где сэп, сл и Сцг, соответственно, жесткости слоев эпидермиса, дермы и подкожных тканей. Из (22) видно, что приведенная жесткость будет определяться наиболее податливым слоем. Учитывая также, что слой эпидермиса имеет толщину на 1-2 порядка меньше слоя дермы, а слой подкожных тканей, по сравнению со слоем дермы, подвержен при этом деформации незначительно, можно сделать вывод, что модуль упругости слоя дермы будет определять приведенный модуль упругости пр, что согласуется с данными, имеющимися в литературе [250]. Таким образом, для построения модели, отражающей внутренние перемещения слоя кожи, рассмотрим следующую расчетную схему: Расчетная схема 1 (рис. 50). Рассмотрим участок кожи в виде пластины, представляющей собой однослойный цилиндр радиусом 60 мм и высотой 20 мм с распределенной на поверхности цилиндра на круге радиусом гу=\5 мм осесимметричной нагрузкой/?. Материал пластины однородный, изотропный, следующий закону Гука, с приведенным модулем упругости Ещ , По нижнему контуру запрещаются перемещения по осям х, у, z. Величина „p выбиралась на основании имеющихся литературных данных для всего слоя кожи [246,347] в диапазоне от 0.01 МПа до 0.05 МПа. Конечно-элементная модель (рис. 50, б) была построена при разбиении геометрической модели на 324 элемента.
Результаты расчета показали, что наиболее близко по характеру перемещений подходит вариант, при котором модуль Юнга выбирался равным 0.03 МПа. Распределение вертикальных перемещений по глубине при диапазоне отрицательных давлений от 0 до 300 мм рт. ст. представлено на рис. 51. При расчете по данной расчетной схеме достаточно достоверно отражаются перемещения поверхности кожи (табл. 5), однако, перемещения слоев, лежащих на глубине 1-6 мм от поверхности, не соответствуют реальному характеру деформаций. Так из графика, приведенного на рис. 51 видно, что на глубине 4 мм при давлении в 300 мм рт. ст. перемещения всего лишь на 16% меньше перемещений на поверхности. Практически же находящиеся на этой глубине ткани не подвержены таким значительным перемещениям. Таким образом, данная однослойная расчетная схема не отражает характер деформированного состояния в подкожном слое. Из этого следует, что кожу с подкожными тканями следует рассматривать по расчетной схеме двухслойной пластины. Рис. 51. Распределение вертикальных перемещений ДА по толщине слоя кожи вдоль оси Оу в центре подкюветной области в зависимости от прикладываемого давления: I -/7=300 мм рт. ст.; II -/7=200 мм рт. ст.; Ш-/7=100 мм рт. ст. Приведенный модуль упругости Ещ, = 0.03 МПа. Рассмотрим участок кожи с подкожными тканями в виде пластины, представляющей собой двухслойный цилиндр радиусом 60 мм с распределенной на его поверхности на круге радиусом п=15 мм осесимметричной нагрузкой р. Материал пластины принимался по слоям однородным, изотропным, следующим закону Гука Верхний слой (кожа) имеет толщину 2 мм, нижний (подкожные ткани) - 5 мм. Модуль упругости Е\ изменялся в диапазоне от 0.05 МПа до 0.01 МПа [250J; для второго слоя, соответствующего подкожным тканям, модуль упругости Ег принимался равным 0.4 МПа [250]. По нижней поверхности пластины по контуру запрещались перемещения по осям х, у, ZJ Конечно-элементная модель была построена при разбиении геометрической модели на 324 элемента. Расчеты распределения перемещений по толщине кожи вдоль осевой линии выполнены при модуле упругости в диапазоне от 0.01 до 0.04 МПа и представлены нарис 53. По результатам моделирования видно, что наиболее адекватно реальные процессы отражает кривая, соответствующая модулю упругости [=0.01 МПа. При такой величине модуля упругости перемещения на поверхности соответствуют экспериментально полученным (табл. 5), а перемещения на глубине 4-5 мм (глубине залегания подкожных тканей) стремятся к нулю. Однако, данная модель не учитывая то, что кожа расположена на подкожной жировой клетчатке, позволяющей слою кожи достаточно свободно скользить по ней, а так же то, что первоначальная деформация поверхности кожи происходит за счет "подсасывания" окружающей кожи, что приводит к нелинейности распределения перемещений в исследуемом диапазоне давлений.
