Введение к работе
Актуальность проблемы. Во многих областях практической медицины (в неврологии, в травматологии, в онкологии, в офтальмологии и др.) при проведении диагностики и при контроле хода лечения возникает проблема определения функционального состояния мягких биологических тканей, которая не может быть решена традиционными физическими методами визуализации (рентгеновскими или ультразвуковыми). Поскольку механические (вязкоупругие) свойства мягких тканей обусловлены их составом, структурой и протекающими в них процессами, то они являются чувствительными индикаторами состояния тканей и их измерение открывает один из небольшого числа возможных подходов к объективной оценке этого состояния. На практике оценка состояния тканей по их механическим свойствам до настоящего времени осуществляется путем пальпации. Известные примеры инструментального контроля механических параметров тканей не нашли пока широкого применения вследствие их недостаточной надежности, низкого пространственного и временного разрешения, сложности практического применения. В связи с этим разработка новых методов определения механических параметров мягких тканей, которые обеспечат достаточную информативность и достоверность измерений в условиях живого организма, является актуальной задачей. Дополнительную актуальность этой работе обеспечивает возможность использования современных компьютерных технологий, существенно повышающих шансы разработки адекватных методов.
Из множества виброакустических методов измерения механических параметров материалов для диагностики состояния биологических тканей наиболее информативными являются различные низкочастотные методы, поскольку только низкочастотные сдвиговые процессы (без объемного сжатия тканей) являются наиболее чувствительными к их макроскопической структуре. Известны примеры использования метода регистрации затухающих колебаний при ударе по тканям, автоколебательного метода, метода регистрации параметров распространения различных волн, метода регистрации резонансной кривой при задании вынужденных колебаний, метода регистрации динамических характеристик при задании продольных, крутильных и поперечных деформаций. В диссертации основное внимание уделено теоретической и экспериментальной разработке методов, основанных на измерении динамических жесткостных (импедансных) характеристик тканей с помощью круглого плоского штампа (диска), колеблющегося нормально к поверхности тканей, названных "методами вибрационной вис-коэластографии". Эти методы имеют преимущества перед другими в части простоты технической реализации, возможности получения информации об
объективных реологических параметрах тканей и возможности реализации непрерывного мониторинга параметров тканей с высоким временным разрешением. Последняя возможность позволяет проводить регистрацию изменений вязкоупругих свойств живых тканей, обусловленных различными физиологическими процессами, и открывает новые возможности для проведения биомеханических и медико-диагностических исследований, например, нервно-мышечной системы человека при изучении общего механизма управления движением, при изучении механизмов различных нарушений в нервно-мышечном взаимодействии и при изучении действия различных лекарственных препаратов.
Применительно к проблеме нетравмирующего контроля состояния биологических тканей в диссертации развиваются также теоретические и экспериментальные основы метода ультразвуковой импульсной доплеров-ской визуализации сдвиговых упругих характеристик тканей, базирующегося на задании в них поля вынужденных низкочастотных колебательных смещений с помощью поверхностного источника и на измерении амплитуд и фаз колебаний в различных точках. Подобные методы, известные как методы "ультразвуковой эластографии", активно развиваются в мире в последнее время и считаются перспективными с точки зрения дополнения традиционных ультразвуковых методов в случае визуализации слабо контрастных неоднородностей тканей.
Близким, по сути, к "методу вибрационной вискоэластографии" является метод исследования тканей, основанный на регистрации динамических жесткостных характеристик их стержневых образцов. При исследовании таким методом образцов активированной (напряженной) мышечной ткани наблюдаются уникальные свойства, которые не известны ни у каких других материалов: немонотонные режимы релаксации силы после ступенчатого изменения длины и отрицательные сдвиги фазы силы по отношению к фазе изменений длины при гармоническом деформировании на низких частотах. Подобные свойства, соответствующие "механической активности" образцов, не укладываются в классические реологические модели, что обеспечивает актуальность разработки в диссертации реологической модели напряженной мышечной ткани.
Актуальность выполненных в диссертации экспериментальных исследований линейных вязкоупругих свойств тканей в различных состояниях, проведенных "методами вибрационной вискоэластографии", а также исследований нелинейных свойств тканей, проведенных методом вдавливания колеблющегося штампа, связана, в первую очередь, с очень слабой изученностью зависимости свойств тканей от их состояния, а также с исследованием информативности этих методов при контроле хода различных физиологических процессов в тканях.
Целью диссертационной работы являлось развитие теоретических и экспериментальных основ методов исследования линейных и нелинейных динамических механических свойств биологических мягких тканей, базирующихся на задании вынужденных низкочастотных механических колебаний (методов виброакустической вискоэластографии), и исследование этими методами биологических тканей и модельных сред.
Решаемые в диссертации задачи, обеспечивающие достижение поставленной цели, состоят в следующем:
разработка теоретических моделей формирования динамических механических характеристик биологических мягких тканей, наблюдаемых методом вдавливания колеблющегося штампа, в том числе, моделей взаимодействия со слоистыми тканями силового поверхностного источника колебаний без трения и с трением (Гл. 1);
разработка теоретического описания активных механических свойств мышечной ткани в экспериментах со ступенчатым и гармоническим деформированием стержневых образцов (Гл. 2);
разработка способов определения реологических параметров тканей по результатам измерения их динамических характеристик методом вдавливания колеблющегося штампа, в том числе способов реконструкции параметров многослойных тканей (Гл. 3);
разработка средств измерения частотных и временных зависимостей динамических механических характеристик биологических тканей методом вдавливания колеблющегося штампа, в том числе, портативных датчиков и специализированных аппаратно-программных комплексов для проведения исследований тканей в условиях живого организма (Гл. 3);
разработка моделей формирования акустического ближнего поля поверхностного источника колебательного давления в слоистых тканях с различными граничными условиями между слоями (Гл. 4);
разработка специализированного аппаратно-программного комплекса реального времени, реализующего модифицированный метод ультразвуковой импульсной доплеровской эластографии (Гл.4);
экспериментальные исследования методом вдавливания колеблющегося штампа линейных вязкоупругих и нелинейных характеристик различных тканей, а также изменений этих характеристик в ходе различных физиологических и патологических процессов (Гл. 5).
Научная новизна работы связана с разработкой моделей формирования импедансных характеристик слоистых биологических тканей при взаимодействии с колеблющимся штампом, рассматривающих его как источник нормальных напряжений (силовой источник колебаний) или как источник нормальных и сдвиговых напряжений (силовой источник с тре-
ниєм). На основе введенных моделей разработан ряд способов оценки объективных реологических параметров тканей по измеряемым динамическим характеристикам и проведены оценки этих параметров для различных биологических тканей и для тканей в различных состояниях. Новыми являются также разработанные модели формирования вибрационных полей под колеблющимся диском, рассматривающие ткани как слоистое вязкоупругое полупространство со сцепленными или с проскальзывающими слоями. Научной новизной обладают предложенная реологическая модель активированной мышечной ткани, воспроизводящая уникальные динамические механические свойства ее стержневых образцов, и результаты экспериментальных исследований линейных вязкоупругих свойств живых поверхностных тканей человека в различных состояниях. В частности, впервые зарегистрированы изменения вязкоупругих характеристик мышц, сопровождающие их утомление и изменение электрической активности в ходе длительного удержания постоянной изометрической силы.
Практическая и научная значимость работы связана с возможностью использования разработанных в диссертации вискоэластографических методов и соответствующих экспериментальных средств для объективного нетравмирующего контроля состояния биологических тканей в ходе диагностических обследований, а также в ходе лечения, тренировки или иного воздействия на них. Эти методы могут быть использованы в фундаментальных биомеханических исследованиях, например, в исследованиях механизма управления движением у человека. Могут быть использованы на практике также и полученные в диссертации экспериментальные данные о вязкоупругих характеристиках различных тканей.
Работы по диссертации выполнялись в соответствии с планом основных работ ИПФ РАН по темам:
"Акустические и оптические методы исследования структуры и динамики физиологических процессов в биологических тканях" (базовое бюджетное финансирование);
"Исследование фундаментальных свойств материи перспективными радиофизическими методами" (ФЦНТП "Исследования и разработки по перспективным направлениям науки и техники на 2002 - 2006 годы", госконтракт № 40.020.1.1.1171);
"Методы активной и пассивной акустической диагностики неоднородности биологических тканей" (ФЦНТП Отделения физических наук РАН № 12, проект № 1.8);
"Радиоэлектроника в медицине и экологии" (ФЦП «Интеграция», проект №0570);
"Разработка комплекса для определения двигательного потенциала инвалидов с. нарушениями опорно-двигательного аппарата" (ФЦП Минсоцзащиты РФ, госконтракт № 3.5/79/451);
Проекты РФФИ № 94-02-06075, № 97-06-80286, № 00-06-80141;
Хоздоговора с ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН: № 766-2002, № 835-2003, № 882-2004, № 45-51-2005.
Основные положения, выносимые на защиту.
Частотные зависимости жесткости и импеданса биологических тканей, наблюдающиеся методом вдавливания колеблющегося штампа, могут быть воспроизведены в моделях, где ткани представлены в виде набора вязкоупругих слоев на недеформируемом основании, а штамп на поверхности представлен как источник нормальных и сдвиговых напряжений.
Немонотонные режимы релаксации напряжения в экспериментах по ступенчатому деформированию образцов активированной мышечной ткани и отрицательные сдвиги фазы силы относительно смещения в экспериментах по гармоническому деформированию могут быть описаны во введенной в диссертации реологической модели активированной мышечной ткани.
Модули сдвиговой упругости и вязкости биотканей могут быть определены в рамках разработанных в диссертации моделей по результатам регистрации жесткостных характеристик тканей разработанными в диссертации экспериментальными средствами.
Закономерности проникновения в биологические ткани низкочастотных колебательных смещений от поверхностного источника могут быть исследованы в рамках разработанной в диссертации модели тканей в виде трехслойного вязкоупругого полупространства, включая исследование роли поверхностных слоев и роли различных граничных условий между слоями.
Распределение колебательных смещений в биоткани может быть визуализировано средствами построенного в диссертации аппаратно-программного комплекса на основе восстановления колебательной скорости в измерительном объеме по квадратурным доплеровским сигналам ультразвукового локатора.
Линейные вязкоупругие характеристики биологических мягких тканей, регистрируемые методом вдавливания колеблющегося штампа разработанными в диссертации средствами, являются чувствительными индикаторами состояния тканей.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИПФ РАН, на I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), на Всесоюзных симпозиумах "Биофизика и биохимия мышечного сокращения" (Тбилиси, 1983; Пущино, 1987), на III Всесоюзной конференции по проблемам биомеханики (Рига, 1983), на Международной конференции "Достижения биомеханики в меди-
цине" (Рига, 1986), на Международных симпозиумах "Акустические свойства биологических объектов" (Пущино, 1984) и "Механизмы акустических биоэффектов" (Пущино, 1990), на IX Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва, 1989), на Всесоюзной конференции "Волновые и вибрационные процессы в машиностроении" (Горький, 1989), на XIII международном конгрессе по акустике (Белград, 1989), на Всесоюзной конференции "Проблемы экологии моря и мягкие оболочки" (Севастополь, 1990), на региональной конференции "Динамические задачи механики сплошной среды, теоретические и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли" (Краснодар, 1990), на VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991), на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на симпозиуме "Реология-92" (Днепропетровск, 1992), на Всероссийских конференциях по биомеханике (Н.Новгород, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, Пермь, 1999), на III, XI, XIII, VIII и XV сессиях Российского акустического общества (Москва, 1994, 2001, 2003, Н.Новгород, 1998, 2004), на Нижегородской акустической научной сессии (Н.Новгород, 2002), на 16-м Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 83 работы, включая 14 статей в журналах, 15 статей в рецензированных сборниках и трудах конференций, 47 тезисов докладов на конференциях, 2 препринта, 3 депонированные рукописи, аннотированные в журналах, 1 авторское свидетельство СССР и 1 патент РФ. В автореферате приведено 36 ссылок на основные публикации.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Ключевые идеи и решения, выносимые на защиту, принадлежат соискателю.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 291 наименование. Общий объём работы 308 страниц, включая 239 страниц текста, 105 рисунков и 11 таблиц.