Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. МЕДИКО-СОЦИАЛЬНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ КОНТУЗИЙ ОРГАНА ЗРЕНИЯ
Глава 2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ОРГАНУ ЗРЕНИЯ СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ОРГАНУ ЗРЕНИЯ СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
3.1. Материал и методы исследования 19
3.2. Медико-социальные и клинические особенности контузий глазного яблока 20
3.3. Разработанные устройства для диагностики и лечения контузий глазного яблока 28
Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОМЕХАНИКИ КОНТУЗИЙ ОРГАНА ЗРЕНИЯ 32
4.1 Теоретические основы моделирования биомеханики травм глаза 32
4.2. Методика компьютерного моделирования контузий глаза... 43
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ КОНТУЗИЙ ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА 49
5.1. Основные результаты проведенных экспериментов 49
5.2. Обсуждение полученных результатов 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
ВЫВОДЫ 72
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 75
- МЕДИКО-СОЦИАЛЬНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ КОНТУЗИЙ ОРГАНА ЗРЕНИЯ
- ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОТНОСЯЩИХСЯ К ОРГАНУ ЗРЕНИЯ СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
- Медико-социальные и клинические особенности контузий глазного яблока
- Теоретические основы моделирования биомеханики травм глаза
- Основные результаты проведенных экспериментов
Введение к работе
Повреждения органа зрения всегда относились к числу особо сложных клинических и социальных проблем. Не является исключением в этом плане и наше время. Частота их - показатель, меняющийся со временем лишь в сторону увеличения. По данным как отечественных, так и зарубежных авторов от 27 до 33% всех пациентов офтальмологического стационара составляют лица с травмами глазного яблока и его вспомогательных органов. Реальное же число пострадавших значительно больше, так как многие из них лечатся амбулаторно. Среди причин слабовидения и слепоты они устойчиво занимают третье место (27,4%), что объясняется не только их частотой и тяжестью, но и все еще ограниченными возможностями восстановительной хирургии (Поляк Б.Л., 1957, 1972; Волков В.В., 1980, 1986; Либман Е.С., 1986, 1997; Гундорова Р.А, 1979; Гундорова Р.А., Малаев А.А., Южаков A.M., 1986; Разумовский М.И., Шорохов Л.Д., 2002.).
В структуре современных повреждений органа зрения значительная доля приходится на контузии глазного яблока (42 — 51% стационарных больных с повреждениями органа зрения). По данным многих авторов контузии по встречаемости являются наиболее распространенным видом травм глаза. Число их сопоставимо, а порой и превышает число ранений органа зрения (Волков В.В., 1980; Гундорова Р.А., Малаев А.А., Южаков А.М. 1986, Разумовский М.И., Кириллов Ю.А., 2001, Carroll D.M., 1988 и др.). Наиболее опасны по своим последствиям тяжелые и особо тяжелые контузии с разрывом фиброзной оболочки глаза. Такие контузии могут приводить к слабовидению, слепоте и даже потере глаза как органа, причем даже чаще, чем прободные ранения глазного яблока (Волков В.В., Шиляев В.Г. 1976; Волков В.В., Даниличев В.Ф., Шишкин М.М., 2001; Wintrop S.R., Cleary P.E., Minckler D. et al. 1980; Gregor Z., Ryan S.J., 1983; Carroll D.M., 1988).
Из вышеуказанного следует, что проблему контузий органа зрения едва ли возможно считать хотя бы частично решенной. По-прежнему в данной области требуются дополнительные исследования, направленные на совершенствование диагностического и лечебного процесса, а они немыслимы без четкого понимания патогенеза травмы. Тем не менее вопросы, относящиеся к патогенезу контузионных повреждений органа зрения, все еще недостаточно освещены. В частности не описаны путем моделирования процессы, происходящие в глазу непосредственно в момент взаимодействия его с повреждающим предметом. Объясняется это тем, что они протекают за очень короткий интервал времени, что делает практически невозможным прямое наблюдение событий даже в условиях эксперимента и затрудняет выполнение целевых исследований. Кроме того характер взаимодействия "предмет — глаз" зависит от огромного множества факторов, что делает крайне сложным учет и описание всех вариантов возникающих изменений.
Цель выполненного исследования состояла в изучении клинических, медико-социальных аспектов контузий глазного яблока, а также биомеханических особенностей их патогенеза, и усовершенствовании на базе полученных данных системы диагностики и лечения данного вида травм.
Для достижения поставленной цели имелось в виду решить следующие задачи:
1. изучить структуру контузий органа зрения у жителей современного крупного города (Санкт - Петербурга), особенности их клиники, а также исходы лечения на основе работы глазного стационара городской больницы №16 Санкт — Петербурга. оптимизировать, используя данные клинических наблюдений, процесс диагностики контузий глазного яблока и способы лечения некоторых их осложнений. создать электронную модель глазного яблока, позволяющую рассчитывать и описывать деформационные изменения его тканей, возникающие в момент нанесения контузии.
Научная новизна.
Определены современные медико—социальные и клинические особенности контузий органа зрения у жителей Санкт-Петербурга.
Разработана трехмерная компьютерная модель глазного яблока, учитывающая биомеханические свойства его тканей и с ее помощью впервые математически описаны их деформационные изменения в различные периоды воздействия травмирующей силы.
Установлена роль геометрических особенностей строения фиброзной оболочки глаза в возникновении контузионных ее разрывов.
Усовершенствована методика диафаноскопического осмотра травмированного глаза.
Усовершенствована также методика хирургической обработки разрывов фиброзной оболочки глаза с выпадением радужки.
Положения, выносимые на защиту.
В результате проведенных исследований выявлен ряд медико-социальных и клинических особенностей контузий органа зрения у жителей Санкт - Петербурга на современном этапе.
Разработанные в ходе клинических исследований технические устройства ("Портативное устройство для трансиллюминации глазного яблока" и "Инструмент для атравматичного вправления выпавшей в рану радужки") повышают эффективность работы офтальмохирурга по диагностике и лечению контузий глазного яблока.
Электронная трехмерная модель глаза, созданная в ходе исследований, дает возможность изучать биомеханические особенности патогенеза контузий глазного яблока путем моделирования и описания физических процессов, возникающих в нем при различных динамических характеристиках соударения глаза и травмирующего тела.
В возникновении контузионных изменений тканей и структур глазного яблока решающая роль принадлежит деформационному процессу, которому свойственно фазовое течение.
Практическая значимость.
В ходе экспериментальных исследований построена компьютерная трехмерная модель биомеханических изменений глазного яблока и его внутренних структур, позволяющая отслеживать деформационные процессы, происходящие в глазу при внешнем механическом воздействии. Данная модель создана на основе разработанного в ходе исследований оригинального метода трехмерного моделирования. Компьютерная модель позволяет, с одной стороны, производить расчеты происходящих в глазу процессов в режиме реального времени, с другой - изучать их в любое выбранное время, причем в наглядном виде и замедленном темпе. Полученные в ходе работы с моделью анимационные ролики удобны и для использования в учебных целях, так как обладают высокой наглядностью.
В ходе клинических исследований разработаны (в соавторстве с Е.Е. Сомовым) "Портативное устройство для трансиллюминации глазного
7 яблока" и "Инструмент для атравматичного вправления выпавшей в рану радужки" (свидетельства на полезную модель за № 26936 от 10.01 2003 и № 26935 от 10.01 2003 соответственно).
Апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, получены 2 свидетельства на полезную модель. Материалы работы доложены на II Центрально - Азиатской конференции по офтальмологии (Бишкек, 2002г.), III Евро - Азиатской конференции по офтальмохирургии (Екатеринбург, 2003 г.), а также на конференции Европейской Ассоциации исследований зрения и глаза (European Assotiation for Vision and Eye Research) в 2003 г. (Аликанте, Испания). Основные положения диссертации доложены и обсуждены на заседании детской секции Санкт-Петербургского научного общества офтальмологов (16.01.2004).
Практическое внедрение результатов работы.
Созданные в ходе исследования инструменты используются в диагностической и лечебной работе отделения микрохирургии глаза Мариинской больницы, а также в клинике офтальмологии СПбГПМА. Полученные в итоге экспериментальных расчетов видеофрагменты и рисунки внедряются в учебную деятельность кафедры.
Объем и структура диссертации.
Работа изложена на 98 страницах машинописи, из которых 74 страницы текста, содержит 8 таблиц и 29 рисунков. Указатель литературы содержит 251 источник, из них 145 отечественных, 106 — зарубежных. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов.
Медико-социальная значимость контузий органа зрения
Известно, что различные повреждения органа зрения представляют весьма крупную клиническую проблему. Значение ее определяется массой факторов. Наиболее весомыми из них являются частая встречаемость среди населения, высокие показатели инвалидизации граждан по данной причине, а также серьезные трудности в процессе их лечения (Поляк Б.Л., 1957, 1972; Волков В.В., 1980, 1986; Либман Е.С., 1986, 1997; Гундорова Р.А, 1979; Гундорова Р.А. и др., 1986; Разумовский М.И., 2000; Кириллов Ю.А., 2001; Разумовский М.И., Шорохов Л.Д., 2002, и др.). Среди травм, по поводу которых пострадавшие обращаются за стационарной помощью, повреждения глаза (в общей сумме) находятся на 5 месте, составляя 9,5%. Если выделить контузии глазного яблока, то они составят 1,7% от общего числа травм всех частей тела. Хотя цифра кажется небольшой, это непропорционально много, если учесть, что поверхность всех структур органа зрения составляет всего 0,15% от площади тела. Ушибы глаза, в целом, приводят к серьезным последствиям для зрительных функций реже, чем ранения, однако являются наиболее распространенным видом повреждений органа зрения (Гундорова Р.А. и др. 1986). Так более точный подсчет общего числа пострадавших, получивших контузии органа зрения (а не только обратившихся за помощью в лечебные учреждения) показывает, что к офтальмологу обращается лишь каждый 4 или 5-й пострадавший (Шорохов Л.Д., 2000, Mallins V.J. 1999). Таким образом, реальное число контузий глаза существенно больше зафиксированного в медицинских отчетах.
По данным Центрального института экспертизы трудоспособности и инвалидности (ЦИЭТИН), за 1998 - 2002гг. из числа лиц, впервые признанных инвалидами по состоянию органа зрения, 27,4% стали таковыми в результате полученной травмы. (Либман Е.С. и др., 2000; Разумовский М.И., Шорохов Л.Д., 2002.). "Пальма первенства" здесь по-прежнему принадлежит ранениям (74,6%). Контузии органа зрения устойчиво занимают второе место (17,9%). В целом, 4,9% россиян, получивших статус инвалидов, пострадали именно в результате контузий органа зрения (Разумовский М.И., 2001). Большинство инвалидов (от 75 до 80% в разных регионах страны) получают травму в молодом, то-есть наиболее трудоспособном возрасте.
Лечение закрытых повреждений органа зрения и их последствий также сопряжено с рядом серьезных проблем. В случаях контузий тяжелой и особо тяжелой степени обычно требуется хирургическое вмешательство. Для его выполнения необходимы не только высокая квалификация офтальмохирурга, но и технические средства достаточно высокого уровня. Однако и при их наличии результаты лечения все еще остаются не слишком обнадеживающими. Если сравнивать результаты лечения прободных ранений органа зрения и контузий органа зрения с нарушениями целостности фиброзной капсулы, то становится явной разница в исходах этих видов травм. В результате прободных ранений слепыми и слабовидящими становятся от 27 до 53% пострадавших. Контузионные разрывы приводят к слепоте и слабовидению в 65 — 88% случаев (Курбанова Н.Ф., 2003, Mallins V.J., 1997, 1999). И такое преобладание сохраняется достаточно давно, несмотря на значительный прогресс в диагностике и в технике производимых микрохирургических вмешательств. В известной мере это обусловлено тем, что ряд важных вопросов, касающихся патогенеза закрытых травм глазного яблока, остаются не до конца освещенными. Поэтому многие положения признаются большинством авторов a priori, хотя строгих подтверждений не имеют. К примеру, известно, что глазное яблоко в ходе взаимодействия с травмирующим предметом претерпевает деформации. Однако их характер и величина остаются пока не выясненными. Не известна и степень предельных деформаций, влекущих за собой разрывы фиброзной оболочки. Наконец, не совсем ясно, по каким причинам разрывы фиброзной капсулы глаза происходят в зонах лимба и экватора, а не на любом ином ее участке.
Особенности моделирования некоторых биомеханических процессов, относящихся к органу зрения собственные исследования
Биомеханика является сравнительно молодой наукой, базирующейся на закономерностях физики, медицины и биологии. Знания, получаемые с ее помощью, помогают лучше постичь физиологическую и патологическую сущность ряда клинических состояний организма человека, в том числе и органа зрения. В частности, это касается изменений его структур на почве прогрессирующей миопии, офтальмогипертензии, и конечно же тупых травм (Кошиц И.Н. и др., 2001; В.В. Волков 2002; Смольников Б.А., 2002).
Следует заметить, что человеческий глаз — уникальный орган, так как его функционирование определяется законами и положениями всех основных разделов физики: механики, гидродинамики, оптики, термодинамики, электрохимии и квантовой механики (Смольников Б.А., 2001). Создание любой биомеханической модели такого органа требует привлечения огромного числа экспериментальных данных по анатомии и гистологии, которых на сегодняшний день в литературе явно недостаточно, что отмечается большинством исследователей (Иомдина Е.Н., 1990 Кошиц И.Н., 1995; Кораблев Д.О. и др., 2001). Вследствие этого приходится в некоторых случаях использовать эмпирические показатели и единичные, недостаточно проверенные экспериментальные данные. Построение точных математических и биомеханических моделей столь большой сложности затрудняется и большим числом параметров, требующих описания, что делает расчетную базу крайне громоздкой (Зимин Б.А., 2000; Shlegel W.A., 1998.)
Несмотря на отсутствие необходимых предпосылок для создания абсолютно точных моделей, создание принципиальных их вариантов, способных хотя бы качественно ответить на наиболее важные вопросы, все же возможно уже сегодня (Смольников Б.А., 2000; Кошиц И.Н., 2001; Lanzl I.M., 1999.). Основополагающими понятиями в биомеханике травматических изменений являются законы, описывающие прочностные и деформационные характеристики тканей. В конечном итоге любое механическое взаимодействие двух тел сводится к их взаимной деформации и реакции на нее (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., 1959, 1987). А деформации, в свою очередь, определяются упругими свойствами данных тел (Новожилов В.В., 1962; Филиппов СБ., 1999.). Исследование механических свойств тканей глаза человека далеко от своего завершения, хотя и являлось предметом исследования многих авторов (Иомдина Е.Н., 1983; 1989; Зимин Б.А. и др., 2001; Эскина В.Н. и др., 2002; Fine В., et al., 1972; Woo S.L. et al., 1982, 1989; Reichel E. Et al., 1989; Hjortdal J.O. et al., 1996.). Несмотря на обилие исследований, большинство авторов открыто сетуют на недостаток точных данных. Это обусловлено тем, что ткани глаза обладают различными механическими свойствами, а изучены они явно недостаточно, главным образом из-за отсутствия пригодных для этих целей приборов (Foster W. et al., 1994; Shin T.J. et al., 2002). Наиболее изучены в биомеханическом аспекте на сегодняшний день фиброзная оболочка глаза и передние его отделы, что обусловлено огромным интересом исследователей к процессам аккомодации и регуляции офтальмотонуса. В ходе проведенных исследований в области механических свойств тканей глаза в последние годы выявлено достаточно много ранее неизвестных фактов, не вписывающихся в привычные представления. Например, довольно широко распространенным является мнение о том, что зоны лимба и экватора глазного яблока являются "слабыми местами" фиброзной капсулы и именно вследствие этого там наиболее часто возникают разрывы. Проведенные различными исследователями измерения показали, что экваториальная зона по прочности действительно уступает остальным участкам склеры, а по отношению к лимбу это утверждение неверно (Иомдина Е.Н. и др., 1994; Reichel Е. Et al., 1989; Forster W. et al., 1994; Hjortdal J.O. et al., 1996; Lerche R., et al., 1996.).
Медико-социальные и клинические особенности контузий глазного яблока
В качестве материала исследования использованы данные собственных наблюдений за 250 пациентами с контузиями глазного яблока, находившимися на лечении в глазном отделении Мариинской больницы в 2000 - 2003гг. Их анализ дополнен сведениями из историй болезни 200 пострадавших того же профиля, которые находились на излечении в этой же больнице в период с 1995 по 1999г. включительно.
В ходе обследования пациентов были использованы следующие диагностические методики: внешний осмотр глазного яблока в боковом (фокальном) освещении, а их оптических сред - в проходящем свете, визометрия по таблицам Сивцева и оптотипам Поляка, периметрия (на периметре ПРП-60), биомикроскопия, офтальмоскопия в прямом и обратном виде, аппланационная тонометрия. Также в обследовании использовались трансиллюминация и диафаноскопия глазного яблока как традиционными методами, так и с помощью разработанного нами устройства, гониоскопия и осмотр глазного дна с помощью линзы Гольдмана. По показаниям производили рентгенологические, ультразвуковые и электрофизиологические исследования, а также флюоресцентную ангиографию.
Информацию, полученную в результате обследования пациентов, а также в ходе работы с архивным материалом, заносили в стандартные карты обследования, а внесенные в них данные подвергались затем компьютерной обработке (при помощи пакета Excel 2000).
Изученный материал по 450 пострадавшим отражает характерные особенности и динамику контузионных повреждений глаз за период 1995 - 2003 гг. в условиях такого крупного города, как Санкт — Петербург.
Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что из 450 пострадавших тяжелые контузии были зафиксированы у 293 человек (65,1%) и средней тяжести — у 126 (28,0%). В основном они были получены в квартире или доме (177, 39,3%), на улице (162, 35,6%), а также на садовом участке (84, 18,5%) (табл. 2).
Теоретические основы моделирования биомеханики травм глаза
В работах, посвященных закрытым травмам глазного яблока, детально описан характер возникающих при этом в его тканях клинических и гистологических изменений. В то же время практически открытыми остаются вопросы, касающиеся деформационных процессов, которые происходят в глазу при внешнем воздействии на него сжимающей силы. Ясно, что деформация стенок и структур глазного яблока, их степень и характер играют важную роль в возникновении различных клинических проявлений травмы. Понятно также, что они зависят от величины и пространственной характеристики воздействующей силы. Однако все эти динамические показатели не получили пока своего математического и изобразительного описания из-за трудностей по проведению корректного эксперимента. Он пока практически невозможен по ряду объективных причин, а именно:
- крайне сжатого времени, в течение которого возникают повреждения, подлежащие измерению и описанию.
- большого числа вариантов взаимодействия травмирующей силы с глазным яблоком.
- непригодности трупных глаз для решения поставленных задач
По указанным выше причинам мы избрали для построения экспериментальной модели контузий глазного яблока метод компьютерного трехмерного моделирования, так как только он позволяет создать виртуальную объемную модель глазного яблока с четко заданными параметрами и контролировать их изменения в режиме реального времени. В ходе исследований была создана оригинальная электронная трехмерная модель. В дальнейшем с ее помощью были выполнены эксперименты и созданы демонстрационные видеоролики и отдельные рисунки.
В принципе, упомянутую выше экспериментальную модель можно создать разными способами:
1. Путем написания математической программы, которая позволяет рассчитывать по известным физическим формулам все механические изменения, возникающие в биомеханической системе "глаз — травмирующий предмет", и в дальнейшем отображать все полученные результаты в виде цифровых последовательностей или графиков.
2. За счет построения графической двумерной системы, рассчитывающей все биомеханические изменения в том или ином сечении исследуемого объекта в течение времени и отражающей результат в виде графика, анимированного или статичного рисунка.
3. С помощью создания трехмерной модели исследуемого объекта с наличием определенных исходных физических свойств и закономерностей их изменения, а также с возможностью дальнейшей прорисовки (рендеринга) и наблюдения изменений объекта в виртуальном пространстве.
Каждый вариант решения имеет ряд преимуществ и, одновременно, ряд недостатков. Математическая модель крайне громоздка, а главное, для многих биологических объектов сложной формы набор физических формул не может быть постоянен. Их группа, описывающая свойства объекта, жестко привязана к его геометрическим характеристикам, а они по определению будут изменяться, так как в ходе взаимодействия будет изменяться и форма объекта.
Основные результаты проведенных экспериментов
В результате расчетов, произведенных на созданной модели, были получены цифровые показатели, а также видео ролики и отдельные, по кадровые, рисунки. В результате систематизации и обработки этих данных нами были получены следующие результаты.
Выполненные исследования показали, что возникающие при ударе деформационные изменения глазного яблока носят во всех случаях фазовый характер. Очередность фаз постоянна. Выделены следующие их виды:
исходная (нулевая) — момент первого соприкосновения инородного тела с глазом (например, при прямом ударе в зону близкую к центру роговицы крупного тела он занимает интервал от 0 до 3 мС ± 1 мС);
начальной компрессионной деформации — наблюдаются еще умеренные изменения в зоне соприкосновения двух тел (с 3 по 20 ± 4 мС);
развитой компрессионной деформации — изменяется не только зона непосредственного взаимодействия двух тел, но начинают деформироваться и другие части глазного яблока (с 20 по 30 ± 4 мС);
пиковой компрессионной деформации — грубо изменяется геометрия всех структур глаза (с 30 по 32 ± 1 мС);
начальной декомпрессионной деформации — истратив кинетическую энергию, травмирующее тело "отталкивается" глазным яблоком, стремящимся к расправлению (с 32 по 55 ± 7 мС);
развитой декомпрессионной деформации - в силу инерционности физических процессов, присущих вязкоупругим телам, глазное яблоко перерастягивается в направлении противоположном вектору действовавшей ранее силы (с 55 по 65 ± 3 мС).
регресса деформации - параметры структур глазного яблока возвращаются к исходным показателям (с 65 по 75 ± 2мС).
Удобным примером для рассмотрения особенностей данных фаз служит, как наиболее общий вариант, удар тела среднего размера в центр роговицы (шар 0 8мм, массой 75г, скоростью 10 м/с). Исходное состояние (см. рис. 5) характеризуется тем, что травмирующий предмет соприкасается с фиброзной оболочкой, однако деформаций структур глаза пока не вызывает.
