Содержание к диссертации
Введение
2. Анатомо-функциональное особенности тканей конечностей человека как компонентов единой биомеханической системы 10-43
2.1. Морфологические и биомеханические особенности кожного покрова конечностей человека в возрастном аспекте 11-18
2.2. Биомеханические свойства кожного покрова при исследовании in vivo и образцов ткани 18-23
2.3. Особенности структурно-функциональных свойств мышц нижней конечности человека при воздействии дозированного растяжения и гиподинамии 23-25
2.4. Особенности функционирования мышц голени 25-43
3. Объем и методы исследования 44-56
4. Динамика биомеханических и структурно-функциональных свойств мягких тканей конечности в процессе естественного роста и при удлинении 56-127
4.1. Исследование сдвиговой жесткости кожного покрова голени у здоровых людей в возрастном аспекте 56-61
4.2. Изменение сдвиговой жесткости кожного покрова голени при врожденном ее укорочении 61-64
4.3. Влияние дистракции и процессов релаксаци и на деформационные свойства кожи голени 64-74
4.4. Изменение растяжимости кожного покрова голени у обследованных с врожденным укорочением нижней конечности при дозированном удлинении 74-82
4.5. Биомеханические свойства кожи удлиняемой голени при моно- и билокальном дистракционном о стео синтезе у больных с врожденным укорочением нижней конечности 82-88
4.6. Морфологические и акустические особенности кожного покрова межпальцевых промежутков кисти после дозированного растяжения в поперечном направлении 88-96
4.7. Эхоморфометрические показатели кожи голени у здоровых людей и больных с врожденным укорочением голени 96-101
4.8. Изменение эхоморфометрических показателей кожи голени под воздействием дозированного растяжения 101-112
4.9. Акустические и эхоморфометрические особенности передней группы мышц и собственной фасции голени у здоровых людей 113-120
4.10. Динамика структурно-функциональных свойств мышц голени у здоровых людей и при нарушении продольного роста конечностей 120-123
5. Обсуждение результатов 123-135
6. Выводы 135-137
Список литературы
- Морфологические и биомеханические особенности кожного покрова конечностей человека в возрастном аспекте
- Биомеханические свойства кожного покрова при исследовании in vivo и образцов ткани
- Исследование сдвиговой жесткости кожного покрова голени у здоровых людей в возрастном аспекте
- Влияние дистракции и процессов релаксаци и на деформационные свойства кожи голени
Введение к работе
Важнейшей задачей при реабилитации больных с укорочениями и деформациями конечности после компенсации укорочения и коррекции правильной оси сегментов является восстановление биомеханических и функциональных свойств мягких тканей конечности. Результаты исследований в эксперименте на животных и in vitro не позволяют выявить ряд закономерностей структурно-функциональных перестроек в тканях удлиняемой конечности человека, так как имеется целый ряд видовых особенностей физиологических процессов, происходящих в организме человека. Одними из главных являются анатомо-функциональное отличия опорно-двигательного аппарата человека, обусловленные его прямохождением и локомоторной активностью, что в целом связано с уровнем филогенетического развития.
Необходимость изучения биомеханических параметров опорно-двигательного аппарата человека связана также с выявлением его предельных возможностей, механической и функциональной устойчивостью (прочностью) структур и органов при воздействии различных экстремальных факторов, например при травмах, достижении высоких спортивных результатов; функциональных нагрузках, граничащих с предельными или в условиях длительной гиподинамии.
Динамика различных параметров напряженно-деформированного состояния биологических тканей - кожи, мышц и фасций конечности человека на протяжении периода удлинения и после завершения лечения остается также мало изученной. Одной из причин этого является возрастание методических ограничений при исследовании такой сложной живой системы, какой является конечность человека. Живые биологические ткани обладают анизотропией, нелинейностью механических свойств и большой способностью к деформациям. Так, степень деформирования мягких тканей
человека может изменяться до 200% и более. Это ведет к трудностям при исследовании функциональной устойчивости биомеханической системы конечности при воздействии фактора растяжения, создаваемым в условиях дистракционного остеосинтеза. Дополнительный элемент сложности привносится иерархической многоуровневой организацией ее компонентов. Этим объясняется возможность развития не только локальных эффектов, но и удаленных от места воздействия и пролонгированных во времени.
Процесс удлинения конечности во время лечения пациентов с ортопедическими заболеваниями представляет собой уникальную возможность изучения биомехническое поведение мягких тканей в условиях экстремальной ситуации - дозированного растяжения и удлинения сегмента на величины до 100% и более.
Актуальной остается также проблема контроля за реабилитационным процессом после воссоздания длины конечности. Сроки лечения пациентов зависят от темпов их восстановления и для разных мягких тканей голени скорость протекания восстановительных процессов может быть неодинаковой.
В процессе удлинения конечности аппаратом Илизарова преодолевается сопротивление со стороны мягких тканей удлиняемого сегмента. Суммарное измерение силовых параметров в системе «аппарат-конечность» у больных с ортопедической патологией не позволяет оценить вклад каждого из компонентов удлиняемого сегмента в формирование ди-стракционных усилий [Попков А.В., 1992, 1998]. В экспериментальных условиях было обнаружено, что различные мягкотканные образования оказывают неодинаковое сопротивление растяжению [Утенькин А.А., Дьячкова Г.В., 1979; Дьячкова Г.В., 1982]. Биомеханическое поведение мягких тканей голени при ее удлинении с целью уравнивания ее продольных размеров или увеличения роста тела человека остается мало изученным. Восстановительное лечение пациентов с целью увеличения анатомической
длины конечности, как правило, длится несколько месяцев. Контроль функционального состояния конечности в процессе чрескостного дистрак-ционного остесинтеза имеет ряд ограничений, связанных с технологией лечебного процесса. И в этих условиях на передний план выдвигается количественное изучение биомеханических свойств различных тканей удлиняемого сегмента. Знание их динамики позволяет объективно оценивать характер протекания адаптационно-приспособительных процессов в кожном покрове и мышцах конечности и на их основе прогнозировать функциональные исходы и сроки восстановительного лечения.
На биомеханические свойства тканей конечности влияет ряд факторов: возраст, продольные размеры, уровень тренированности [Виноградова Е.В., 1975; Виноградова Е.В., Михайлов И.Н., 1979; Голийски П. и соавт., 1988] .В условиях дистракционного чрескостного остеосинтеза механические свойства кожного покрова и мышечно-фасциального апппарата связаны с процессами регенерации тканей [Илизаров Г.А., Щуров В.А., 1988; Калякина В.И. и соавт., 1988]. Обнаруживаемые у больных в процессе ди-стракции рост и падение дистракционных усилий находится в прямой кор-реляционой связи с активностью регенерации кости. Однако роль мягкот-канных образований удлиняемого сегмента в создании оптимальных условий для нормального протекания регенерации остается недостаточно изученной.
Цель исследования: обоснование закономерностей динамики биомеханических и анатомо-функциональных свойств мягких тканей голени человека в условиях естественного роста и удлинения.
Задачи исследования:
Изучить возрастную динамику деформационных свойств кожного покрова нижней конечности у здоровых людей и её особенности у больных с укорочениями нижней конечности.
Изучить акустические свойства кожного покрова и структурно-функциональные свойства мышц у здоровых людей и в условиях удлинения голени. Проследить изменение биомеханических и акустических свойств кожи в условиях дозированного растяжения у экспериментальных животных и обследуемых с синдактилией при экстремальном растяжении с помощью аппарата Илизарова.
Оценить сократительную способность мышц голени у обследуемых с диспропорционально низким ростом (ахондроплазией) до и после оперативного увеличения продольных размеров конечностей.
Выносимые на защиту положения:
Функциональные свойства и биомеханические характеристики мягких тканей голени, прижизненная оценка которых основана на внедренных оригинальных методиках исследования, связаны с возрастом и достигнутыми размерами конечности человека.
Дозированное растяжение сегментов конечности приводит к существенному повышению жесткости тканей, диапазон изменений которой должен находиться в пределах, обеспечивающих последующее восстановление функциональных свойств.
Научная новизна:
Впервые осуществлено комплексное исследование деформированного состояния мягких тканей голени обследованных с укорочением нижних конечностей в условиях оперативного удлинения и естественного роста у людей различного возраста. Прослежена возрастная зависимость деформационных свойств кожи в условиях дозированного растяжения, а также динамика их восстановления в новых биомеханических условиях функционирования конечности.
Предложены новые методики: определения сдвиговой жесткости и величины относительного удлинения кожи в условиях приложения постоянной нагрузки (рационализаторское предложение № 25 от 15.08.89г.- в соавт. с А.А.Утенькиным); изучения акустической анизотропии кожного покрова конечностей in vivo (рационализаторское предложение № 43 от 15.12.89г.- в соавт. с А.В. Попковым).
Найдены закономерности акустической анизотропии кожного покрова конечности в возрастном аспекте при уравнивании длины голени у больных с односторонним укорочением нижней конечности, а также у пациентов с синдактилией пальцев кисти. Морфологические исследования показали, что кожа межпальцевых промежутков пальцев кисти после дозированного расятяжения имеет типичное для кожи здоровых лиц строение. Обнаружено разрастание эпидермиса и интенсивный рост дермы, о чем свидетельствовала значительная активность клеток мезенхимного ряда, а также интенсивное развитие придатков кожи и нервных окончаний.
Впервые прослежена динамика эхоморфометрических показателей мягких тканей голени в процессе удлинения и в различные сроки после завершения лечения.
Результатом проведенного исследования явилось получение новых знаний о межтканевых взаимодействиях удлиняемой голени в единой биомеханической системе конечности. Прослежены особенности их восстановления в зависимости от методики удлинения и возраста пациентов, а также с учетом структурной анизотропии.
Теоретическая и практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в соотвествии с планом НИР РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова и является фрагментом комплексной темы "Разработка новых технологических решений для удлинения, исправления деформаций и замещения дефектов конечностей различной этиологии, сравнительное клинико-экспериментальное изучение закономерностей роста тканей, со-
стояния кровообращения, иннервации и обменных процессов (№ гос. регистрации 632/008/030).
Разработанные методики определения деформационных свойств и акустической анизотропии кожного покрова человека и животных включены в программу обучения студентов лечебного факультета Курганского социально-экономического института.
Материалы диссертации использованы в методических рекомендациях "Способы исследования состояния мышц и прогнозирования функциональных исходов удлинения отстающей в росте голени по Г.А. Илизарову" (Курган, 1989г. Авторы В.А. Щуров, Л.А. Гребенюк) и "Прижизненное исследование биомеханических свойств кожных покровов" (Курган, 1994г. Авторы Л.А. Гребенюк, В.А. Щуров, А.А. Утенькин).
Публикации и внедрение. По материалам исследования обпублико-вано 9 печатных работы, оформлено 3 заключительных отчета НИР. Министерством здравооохранения утверждено 2 методических рекомендаций, обосновывающих способы исследования состояния мышц и кожного покрова для прогнозирования функциональных исходов удлинения отстающей в росте голени. Сделано 7 докладов на международных, всесоюзных, республиканских конференциях и областной научно-практической конференции врачей Курганской области. Выданы авторское свидетельство СССР и патент Российской Федерации на изобретение способов оценки функционального и биомеханического состояния тканей удлиняемой конечности. Получено 2 удостоверения на рационализаторские предложения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, собственных исследований, обсуждения результатов, выводов и списка литературы (отечественных и иностранных источников). Работа содержит 21 таблицу и 34 рисунка.
3. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. АНАТОМО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТКАНЕЙ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА КАК КОМПОНЕНТОВ ЕДИНОЙ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Несмотря на обилие имеющихся работ, до сих остается малоизученным вопрос о взаимоотношениях кожного покрова, мышц и костной ткани как компонентов единой биомеханичской системы у больных с различной ортопелической патологией, их взаимовлияние на процессы костеобразо-вания и реабилитации. В немногих исследованиях уделяется внимание изучению кожного покрова, играющего важную защитную роль в жизнедеятельности животных и человека. Помимо общеизвестной роли в процессах метаболизма, она - обширное рецепторное поле, что находит свое применение в акупунктуре, благодаря чему осуществляется воздействие на внутренние органы. Опорная функция кожи осуществляется благодаря особому строению подкожных соединительнотканных образований. Тяжи подкожной клетчатки, растянутые жировой клетчаткой, создают упругую систему "кожа - подкожная клетчатка - поверхностная фасция", обладающую достаточной прочностью и высокой эластичностью. Вся эта система функционирует как единый комплекс и выполняет роль амортизатора во взаимоотношениях организма с внешней средой. Именно подкожная клетчатка "распределяет" давление на кожу во всех направлениях. По сути кожа "работает" на растяжение, и каждый соединительнотканный тяж "работает" на растяжение, а как единое целое они сопротивляются силе давления. Таким образом, кожа образует плотный и прочный покров, являющийся защитой подлежащих частей от механических повреждений.
Покрывая почти всю поверхность тела, он механически защищает подлежащие ткани от повреждений, ударов и толчков. Его общая поверхность у взрослого 1,5 - 2,0 м2, объем кожи достигает 1/6 - 1/7 части всего тела. Вес кожи без гиподермы равен 4-6% общего веса тела, а вместе с ги-
11 подермой - 16-18%. Такие структурные элементы кожи как плотный роговой слой эпидермиса, прочные соединительно-тканные компоненты сосочкового слоя, структуры сетчатого слоя вместе с подкожной жировой клетчаткой при давлении и различных механических воздействиях оказывают значительное сопротивление. Особенно велика роль коллагеновых волокон кожного покрова, сопротивление которых на разрыв в 43 раза больше, чем эластических. Роговой слой эпидермиса при многократных механических раздражениях утолщается, он ослабляет давление, трение и удары.
Кожа является защитным барьером для различных физических, химических воздействий и от проникновения микроорганизмов. В поддержании относительного постоянства температуры тела она играет исключительно важную роль. Кожа является также источником кожной чувствительности: тактильной, температурной, болевой и др.
В соединительно-тканном слое содержатся многочисленные капилляры, в них находится большое количество крови, резко увеличивающееся при расширении капилляров и составляющее около 1 дм .
Морфологические и биомеханические особенности кожного покрова конечностей человека в возрастном аспекте
Структура кожи человека и животных имеет некоторые отличия, что связано с филогенетически обусловленным прямохождением человека, отсутствием волосяного покрова и социальными условиями существования (Виноградова Е.В., 1975). Для человеческой кожи характерна более низкая подвижность относительно подлежащих тканей и больший диаметр поперечного сечения коллагеновых пучков (100-200 мкм у человека и 30-40 мкм у свиньи).
Наружный слой кожи - эпидермис - является многослойным плоским эпителием, толщина которого колеблется от 0,035 до 0,12 мм. На ладонях и подушечках пальцев и подошвах она достигает 0,22 - 1,4 мм. Наиболее толстый слой эпидермиса - роговой слой, состоящий из кератоцитов, представляющих собой полости, содержащих воздух и липиды. При изучении ультраструктуры эпидермиса нормальной кожи здоровых детей в возрасте от 3 до 11 лет (подвздошная область) обнаружена значительное меньшая его толщина. Десмосомы в эпидермисе более простого устройства, что по мнению авторов [Гетлинг З.М., Айвазян А.А, 1972] отражает одну из стадий их развития. Они имеют связь как с цитоплазматическими мембранами шиловидных клеток, так и с десмосомами обычного типа. В клетках базального слоя имеется значительное количество гипертрофированных митохондрий, что свидетельствует о повышенной регенераторной способности этих клеток, а также об усилении обменных процессов в них. У детей в эпидермисе найдено гораздо большее количество клеток Лангер-ганса, по сравнению со взрослыми, и уменьшенное количество меланоци-тов, что может свидетельствовать о меньшей активности процессов мела-ногенеза у детей. Немаловажной особенностью росткового слоя эпидермиса, с точки зрения сопротивляемости кожи механическим воздействиям, является наличие тонофибрилл, являющихся своего рода опорным аппаратом, предотвращающим клетки от механического сдавливания.
Кожа представляет своего рода комплекс различных барьеров с разными свойствами. Барьер - физиологическое понятие, отвечающее на вопрос, какой структурный субстрат обеспечивает способность пропускать или задерживать определенные вещества. Эпидермальные и дермальные структуры играют роль барьера для различных веществ. Барьерная функция рогового слоя органически связана с его структурой [Orfanos С.Е., 1981], он является своего рода прочным упругим панцирем. Нижний участок рогового слоя обладает большей способностью к сопротивлению проникновению веществ снаружи внутрь, и кератин играет в этом решающую роль [Orfanos С.Е., 1981]. Межклеточное вещество между его верхним и нижним слоями богато фосфолипидами и также имеет особенное значение для барьерной функции кожи (проникновение макромолекул и сохранение проницаемости для микромолекул) [Rothman S., 1954]. Следовательно, на пути проникновения в кровеносную систему веществ имеются барьеры в виде эпидермиса, субэпидермальной базальной мембраны и базальной мембраны капилляров.
По данным световой микроскопии отмечена близость строения волокнистых структур кожи детей 5-9 лет и у взрослых [Обысов А.С., 1971]. В то же время при изучении ультраструктуры элементов дермы нормальной кожи детей были выявлены некоторые особенности по сравнению со взрослыми. Это касается строения коллагеновых фибрилл, ширина периодов которых меньше и составляет 450-500 А. Вблизи коллагеновых и эластических волокон обнаружено большое количество волокнистого вещества, что свидетельствует о более активном синтезе волокнистых субстанций в детском возрасте. У детей в цитоплазме эндотелия сосудов дермы в большом количестве выявляются филаменты и слабо выражен эндоплазма-тический ретикулум [Айвазян А.А., Гетлинг З.М., 1972]. Средняя толщина дермы от 0,5 до 2 мм, в то время как на ладонях и подошвах она достигает 4,75 мм.
Поверхность кожи у детей и подростков на 1кг массы тела значительно больше, чем у взрослых. У детей 6 лет - 450 см2 , 10 лет - 425, у подростков 15 лет -380, взрослых она достигает 220 см .
Между морфологическими и биомеханическими свойствами кожного покрова имеется определенная взаимосвязь [Brown LA., 1973; Decraemer et al., 1979; Гетлинг 3.M., Айвазян A.A., 1972; Михайлов А.Н., Шименович Б.С., 1977]. Региональные различия растяжимости и упругости кожи определяются строением дермы и характером взаимного переплетения коллагеновых и эластических волокон, а также особенностями структуры эпидермиса и пограничной зоны между эпидермисом и дермой. По данным Барона М.А.(1939), для коллагеновых волокон и пучков дермы большинства областей кожного покрова свойственны различная степень извитости и наличие «запасных» складок, часто их форма напоминает петли [Барон М.А., 1939]. Возможно наличие и смешанных типов вязи. Так, для кожи наружной поверхности бедра характерны пластообразный тип в верхних отделах дермы и сложнопетлистый в более глубоких ее отделах и др. особенности [Виноградова Е.В., 1975; Виноградова Е.В. и Михайлов И.Н., 1978]. В целом, в коже конечностей человека преобладает пластообразный тип вязи, коллагеновые волокна и пучки распологаются в виде параллельных пластов, в различных участках возможна прочная или слабая связь коллагенового каркаса дермы с подкожной клетчаткой и структурная взаимосвязь с фасциями. По мнению ряда авторов, особенности строения кожного покрова, а также нижележащих тканевых элементов, играют определяющую роль в процессах релаксации кожи [Мордовцев В.Н. и соавт., 1984].
Что касается архитектоники эпидермиса, следует отметить, что в ряде работ описывается его колончатое строение, прослеживающееся через всю толщу от поверхности пласта до базальной мембраны. Такая вертикальная самообновляющаяся единица эпидермиса была названа эпидер-мальной пролиферативной единицей [Potten С, 1976]. Выраженность колончатого строения эпидермиса также имеет топографические различия. Так, на подушечках лап мышей колончатость структуры эпидермиса не прослеживается [Allen Т. and Potten С, 1976], а в эпидермисе спины мыши колонки имеют протяженность до самой базальной мембраны. Эти же авторы рассматривают клетки Лангерганса в качестве одних из ключевых структур в регуляции митотической активности базальных клеток [Allen Т. and Potten С, 1976]. Изучение процесса развития столбиков в онтогенезе показало, что столбчатость формируется на основе нестолбчатого эпидермиса и имеет определенную направленность - со стороны базального слоя. Происходит постепенное замещение упорядоченной структурой всей толщи эпидермиса [Летучая Ф.М., Кетлинский С.А., 1980 ]. В эпидермисе нет кровеносных и лимфатических сосудов. Поэтому питание эпидермиса осуществляется за счет тканевой жидкости, циркулирующей по канальцам мальпигиева слоя [Жданов Д.А., 1952]. Кожная тканевая жидкость является своеобразной внутренней средой для кожи как органа и наряду с другими интерстициальными жидкостями находится в состоянии оживленного обмена с жидкостью и веществами кровеносного русла [Горбовицкий С.Е., Голованов Э.Д., 1972].
В соответствии с выявленными топографическими и возрастными особенностями в ряде работ прослежены и различия биомеханических свойств в разных участках тела человека. Особенно сильно влияет характер расположения и взаимосвязи волокон коллагена на деформационные свойства дермы [Михайлов А.Н., Шименович Б.С, 1977]. Коллагеновые волокна дермы в раннем детстве состоят из рыхлых пучков, которые к 10-12 годам становятся толще и плотнее, они сильно скручиваются и переплетаются. Дерма утолщается до 16-30 лет.
Биомеханические свойства кожного покрова при исследовании in vivo и образцов ткани
Многие мягкие биологические ткани рассматриваются в качестве композитов, поскольку они состоят из различного количества фиброзного и аморфного материала. Человеческая кожа представляет собой комплексную многослойную ткань, состоящую из упругих коллагеновых волокон и эластина, расположенных в среде вязко-упругого жидкого матрикса - му-кополисахаридов [Finlay J.B., 1978]. На основе структуры кожи была предложена модель, характеризующая зависимость («квази-упругая» зависимость) напряжение-деформация для мягких биологических тканей, успешно используемая для кожи и учитывающая типичное вязкоупругое поведение [Decraemer W.F. et al., 1979].
В испытаниях на образцах человеческой кожи с целью их растяжения с постоянной скоростью и нагрузкой был обнаружены две фазы жесткости. В начале растяжения коэффициенты Пуассона были нулевыми или близкими к нулю, что связано с распрямлением коллагеновых волокон. При дальнейшем растяжении развивалась фаза большой жесткости в результате их переориентации. С учетом структуры одного из слоев кожи в виде коллагеновой сети и на основе исследования соотношений нагрузка -деформация была предложена модель, объясняющая скачкообразное возрастание прочности кожи [Markenscoff X., Yannas I.V., 1979]. А в другой работе указывалось, что механические свойства органа зависят от его геометрии и от окружающих его органов [Фанг Я.Ч., 1975]. При последующем растяжении образцов наступает переориентация волокон, а в конечной фазе растяжения образцов кожи происходит растяжение уже распрямленных коллагеновых волокон [Stark H.L., 1980; Brown LA., 1973]. По данным Е.В.Виноградовой (1975), незначительное растяжение сопровождается переориентацией коллагеновых пучков дермы, а по мере усиления натяжения запасные складки в коллагеновых пучках выпрямляются и происходит растяжение эпидермиса и переориентация эластических волокон [Виноградо-ваЕ.В., 1975].
Взаимосвязь структуры кожи с параметрами релаксации ее напряжений установлена также в процессе динамических торсионных нагрузок, когда в периоды релаксации напряжений выявлены остаточные скручиваю- . щие моменты, что объясняется вязко-упругим поведением мукополисаха-ридов в основном веществе кожи [Finlay J.B., 1978].
Таким образом, основными элементами структуры человеческой кожи, воспринимающими механические нагрузки, являются слои хорошо закрученных в спираль коллагеновых волокон [Stark H.L., 1980; Brown L.A, 1973], а также эластин и матрикс мукополисахаридов (гликопротеиды), ведущий себя как эластичный гель [Kenedi R.M. et al.,1969]. Коллаген и эластин имеют разные модули Юнга (10 и 6 106дин/см2 соответственно). Эти структурные особенности кожи определяют ее нелинейные механические характеристики, наличие остаточной деформации (вследствие ее вязко-упругих свойств) и анизотропию [Kenedi R.M. et al., 1969]. Структурные изменения дермы зависят от направления силы растяжения (вектора растяжения) и архитектоники коллагеновой вязи, а также степени растяжения кожи [Виноградова Е.В., 1975]. При одномоментном растяжении образцов кожи человека вначале происходит переориентация коллагеновых пучков дермы, при дальнейшем растяжении - выпрямление запасных складок, возможно появление поперечных трещин в коллагеновых образованиях. После чего происходит переориентация в эластическом каркасе, растягивагивается эпидермис [Виноградова Е.В., 1975]. Таким образом, одномоментное растяжение вызывает определенную последовательность изменений в структуре коллагеновых пучков: за выпрямлением (1) следует расхождение волокон в пучке (2), в дальнейшем происходит сближение (слипание) волокон (3), а затем, по мере прилагаемого растяжения - закручивание разорванных концов волокон (4).
Школой Г.А.Илизарова было разработано несколько способов выращивания кожи конечностей, которые успешно применяются для замещения посттравматических дефектов, рубцов и лечения трофических язв. Был экспериментально обоснован способ аутодермопластики, являющийся эффективной кожнопластической операцией и позволяющий исключить из арсенала хирургии лоскутные и стебельчатые методы [Петров А.П., Барабані А.П., 1986]. Проведенные морфологические исследования образцов «выращенной» кожи свидетельствовали о ее активном росте после создания в ней эффекта напряжения растяжения [Петров А.П., Барабаш А.П., 1986]. Влияние механических напряжений на заживление кожных ран изучалось в работе [Squier С.А., 1981], в которой показано, что к 4 дню растяжения появлялись межклеточные контакты фибробластов и слабые признаки воспаления. К 6 дню растяжения - большое количество фибробластов, содержащих филаменты и формирующих контакты, а признаки воспаления отсутствовали.
У человека выявлена зависимость толщины коллагеновых пучков от локализации исследуемой области и глубины их залегания. В сетчатом слое дермы пучки наиболее толстые [Виноградова Е.В., Михайлов И.Н., 1979]. Для кожи лица характерно обилие эластических волокон в верхних слоях дермы [Вавилов A.M. и соавт., 1988]. Площадь поперечного сечения коллагеновых пучков в коже у молодых людей значительно меньше, чем у пожилых и в разных участках тела составляет 0,58-0,8 мм2 , а в коже ко-нечностей - 0,4 мм [Русаков А.В., 1954; Виноградова Е.В., 1975; Виноградова Е.В., Михайлов И.Н., 1979]. В коже латеральной поверхности голени имеются дополнительные пучки с ориентацией, близкой к перпендикулярной или тангенциальной к ее поверхности, что обеспечивает большую прочность и меньшую растяжимость ткани по сравнению с медиальной областью [Виноградова Е.В., 1975].
С возрастом количество коллагена в коже уменьшается, что ведет к изменению ее биомеханических свойств с сохранением региональных отличий [Русаков А.В., 1954]. Исследование упругости кожи человека in vivo по направлению линий Лангера и перпендикулярно к ним позволило достоверно разграничить механическое поведение кожи подлопаточной области по возрасту с учетом характеристики «нагрузка - растяжение» [Ра-чев А., Цончев Р., 1990]. Линии Лангера - заметные на коже линии, характеризующие основное направление соединительнотканных волокон глубокого слоя кожи - сетчатого. Каждый участок имеет характерное для него направление волокон. Поэтому рассекать кожу следует по возможности параллельно линиям Лангера. Разрезы кожи, производимые в перпендикулярном к лангеровским линиям направлении, дают худшие в косметическом отношении результаты, так как ведут к большему зиянию раны и образованию более грубых рубцов [Островерхов Г.Е. и соавт.,1995]. Выявлены топографические особенности хода линий Лангера. По передней поверхности голени линии Лангера идут продольно, а по задней поверхности - в косо-диагональном (под углом, близким к 45 град, к продольной оси) направлении [Островерхов и соавт., 1995].
Исследование сдвиговой жесткости кожного покрова голени у здоровых людей в возрастном аспекте
В основной группе исследований определяли механические свойства кожной поверхности голени (средняя треть, задняя поверхность). Обследовано 52 здоровых человека в возрасте 6—16 лет. Обнаружено, что различия в сдвиговой жесткости кожи правой и левой конечностей каждого из обследованных здоровых людей отсутствуют.
Зависимость сдвиговой жесткости кожи голени от возраста в группе здоровых людей была выведена в виде уравнения линейной регрессии: Sr = 0,00995 Т + 0,0412; г = 0,44 Р 0,05, где Sr - сдвиговая жесткость кожи голени, Т - возраст (годы), г - коэффициент корреляции. Величина относительной деформации (относительного удлинения) кожного покрова голени у здоровых детей и взрослых зависела нелинейно от возраста обследованных: є = 3,0316 е" 0693 т; г = 0,51; Р 0,05, где є - величина относительной деформации (или относительного удлинения ) кожи голени, %; е - основание логарифмов.
Таким образом, сравнительный анализ сдвиговой жесткости и относительной деформации кожи бедра и голени показал, что имеется четкая связь механических параметров кожи с возрастом для каждого из сегментов: SB = 0,00830 Т + 0,0192; г = 0,62; Р 0,01, где SB - сдвиговая жесткость кожи бедра. Характерно, что градиент увеличения жесткости в зависимости от возраста практически одинаков как для бедра, так и для кожи голени. Замеры деформационных свойств кожи сегментов нижней конечности проводились по передней поверхности в области средней трети сегментов. А абсолютные значения показателей сдвиговой жесткости для кожи голени были выше, чем на бедре. В первую очередь это связано с ана-томо-топографическими особенностями кожного покрова бедра и голени [Виноградова Е. В., Михайлов И. Н, 1979], меньшей подвижностью кожи голени и более прочной связью с подлежащими тканями (подкожной клетчаткой и поверхностной фасцией голени).
Экспоненциальная зависимость относительной деформации кожи сегментов нижней конечности у детей различного возраста отражает существование нелинейно-упругой зависимости между нагрузкой кожи и деформацией, что согласуется с данными Фанга [Фанг Я.Ч., 1975]. Изменение относительной деформации с возрастом неодинаково для сегментов нижней конечности - минимальный ее прирост найден для кожи голени. Следовательно, для дистальных сегментов нижней конечности относительное удлинение кожи (при постоянной по величине нагрузки, осуществляемой в процессе проведения замеров деформационных свойств), является одним из определяющих показателей при изучении диапазона изменения биомеханических свойств в процессе дозированного растяжения.
Следует отметить, что использованная в настоящей работе методика позволяет определять сравнительные механические параметры кожи, не давая абсолютных значений жесткости и ее удлинения. Вместе с тем, такие параметры как сдвиговая жесткость и относительная деформация представляют собой достаточно корректные характеристики. Определение их на кожных образцах не потребовало бы принципиально иной методики, хотя сдвиговая жесткость конкретизировалась бы как модуль Юнга второго рода, а относительная деформация делилась бы на упругую и на предельную, т. е. разрушения. Следует отметить, что установленное в настоящем исследовании закономерное увеличение сдвиговой жесткости вызывает уменьшение относительной деформации подтверждается и при опытах на образцах кожи [Stark H.L., 1980].
Для сравнительного анализа были определены деформационные свойств кожи голени и бедра, являющихся смежными сегментами нижней нижних конечностей здоровых людей в пределах одного возраста установлено, что жесткость кожи дистальных сегментов существенно выше, чем проксимальных (табл. 1).
Выявленные различия сдвиговой жесткости кожи дистальных и проксимальных сегментов, по-видимому, связаны с особенностями морфологического строения кожи и подкожно-жировой клетчатки сегментов, их гидростатического давления, а также с влиянием гравитации в филогенезе и наличием градиентов роста [Tanner Y. М., 1962; Виноградова Е. В., Михайлов И. Н, 1979].
Были выявлены и различия в показателях кожи других сегментов: жесткость голени и плеча различались более, чем в 2 раза. Указанные закономерности прослежены для всех исследованных возрастов.
Экспоненциальная зависимость относительной деформации кожи у детей различного возраста отражает существование нелинейно-упругой зависимости между нагрузкой кожи и деформацией. Это согласуется с результатами работы Фанга Я.Ч., показавшего, что по мере увеличения нагрузки прирост деформации кожи снижается [Фанг Я. Ч., 1975]. Изменение относительной деформации с возрастом неодинаково для сегментов — минимальное уменьшение найдено для кожи голени.
Относительная деформация в нашем исследовании характеризует величину линейного смещения кожи при повороте внутреннего диаметра кольца. Величина прикладываемого крутящего момента постоянна во всех измерениях, что делает угол поворота внутренней втулки устройства зависимым только от свойств кожи, а это определяет и ее относительную деформацию, отражающую способность кожи к деформированию именно при данной нагрузке.
Влияние дистракции и процессов релаксаци и на деформационные свойства кожи голени
При динамическом исследование биомеханического состояния кожного покрова пораженной голени у больных с врожденным укорочением нижней конечности до лечения и в различные периоды удлинения были выявлены следующие изменения (табл. 1-5). Поскольку все пациенты были подразделены на несколько возрастных групп, представляло интерес провести сравнительный анализ биомеханических свойств кожного покрова при удлинении голени в возрастном аспекте.
Исследования механических характеристик в течение первого месяца дистракции были проведены четырехкратно, частота обследований во втором месяце - двухкратно. Такая частота замеров необходима для выявления динамики в процессе воздействия фактора растяжения на ткани удлиняемого сегмента. Дальнейшие наблюдения допустимо было проводить через большие промежутки времени.
Обнаружено, что у всех обследованных пациентов уже в первую неделю дозированного растяжения с ритмом 0,25 мм за четыре подкрутки гаек аппарата Илизарова и темпом 1 мм в сутки показатель сдвиговой жесткости кожи удлиняемой голени значительно возрастал. У больных 7-8 лет он увеличивался в 5,4 раза, 10-11 лет - в 3,2 раза, а в группе пациентов 15-16 лет и у взрослых - в 1,6 и 1,9 раз соответственно (рис. 10). Обращает на себя внимание тенденция к относительно большему возрастанию сдвиговой жесткости кожи оперированного сегмента у детей 7-8 лет. Характер изменений изучаемого параметра у детей указанных возрастных диапазонов в целом был однонаправленным. Наибольших величин данный показатель достигал в дистракционном периоде, что явилось адекватной реакцией кожного покрова на прилагаемые извне усилия растяжения.
Прекращение действия фактора растяжения по достижении удлинения заданной величины приводило к развитию процессов релаксации в тканях голени (рис.11). В период фиксации показатель сдвиговой жесткости закономерно снижался. В целом, у детей в возрасте 7-14 лет сдвиговая жесткость кожи удлиненной голени по истечении 120-180 дней после снятия аппарата Илизарова имела значения, близкие к исходным (доопераци-онным) показателям.
Установлено, что деформационные свойства кожи контрлатерального сегмента в группе больных с врожденным укорочением одной из нижних конечностей при оперативном удлинении пораженной голени также подвержены определенным изменениям (рис. 12). В целом, обращает на себя внимание наличие определенной синхронности повышения сдвиговой жесткости кожи удлиняемой и контрлатеральной голени в начале и конце дистракции тканей оперированного сегмента, а также в конце фиксациию. То есть, опосредованно проявляются воздействия прилагаемого извне фактора растяжения (в начале дозированной тракции и при ее завершении), в процессе развития релаксации в тканях сегмента к концу фиксации аппаратом удлиненной голени.
Динамика сдвиговой жесткости кожи интактной голени в различные периоды лечения у больных детей 7-8 лет (п = 7), 10-11 лет (п =12), 12-14 лет (п = 12). Исх. - показатель в исходном состоянии; дистр. - период дозированного растяжения с указанием его срока (дни); фикс. - период фиксации (дни); п. леч. до 120 - через 60-120 дней после снятия аппарата; п. леч.. п. 120-180 дней - через 121-180 дней после завершения лечения.
Динамика показателя сдвиговой жесткости кожи контралатеральной голени у больных подросткового возраста (15-16 лет) и взрослых также претерпевала ряд изменений (рис. 12). По мере дозированного растяжения укороченной голени изучаемый показатель интактного сегмента минимальных по сравнению с исходными значений достигал к 45 дням дист-ракции и составил 68, 8% у больных подростков и 69,5% у взрослых (табл. 6, 7). Вместе с тем, к моменту завершения дистракции для интактного сегмента отмечено возрастание сдвиговой жесткости до уровня исходных величин -101,9 и 98,3% соответственно указанным двум возрастным группам.
Для одной из возрастных групп показано преобладание определенной синхронности в изменениях сдвиговой жесткости укороченной и контрлатеральной голеней у больных 7-8 лет на протяжении дистракцион-ного периода. Сдвиговая жесткость кожного покрова интактной голени в процессе лечения у больных 15-16 лет и взрослых 17-35 лет. Условные обозначе-ния: исх. - исходный показатель сдвиговой жесткости (кгс/ мм град); дистр - срок дистракции (дни); фикс. - срок фиксации (дни); п. леч. до 120 - после лечения через 60 - 120 дней; п. леч. п. 121 - после лечения через 180 дней.
С другой стороны, прослежен параллелизм в изменениях сдвиговой жесткости кожного покрова интактной голени у больных детей (7-8 и 10-11 лет), а также подростков 15-16 лет и взрослых на протяжении всего дистракционного периода. период лечения, дни
Изменение показателя сдвиговой жесткости кожи укороченной и контрлатеральной голени в различные периоды лечения у детей 7-8 лет. То есть, выявленные изменения в первую очередь, по-видимому, связаны с системным реагированием кожного покрова как органа на прилагаемые воздействия при дозированном растяжении укороченной голени.
