Введение к работе
Актуальность исследования
Система микроциркуляции крови представляет собой одну из самых сложных циркуляторных систем природы, развившуюся у многоклеточных организмов в процессе эволюции системы кровообращения. Большое количество биологических, физических и химических факторов влияет на архитектонику и топологию микрососудистых сетей, а также на их функционирование.
Микроциркуляторное русло (МЦР) наибольшая по своей протяженности часть сердечно-сосудистой системы. Общая длина микрососудов в организме достигает астрономической величины порядка км (Козлов В. И. и соавт., 1994). Количество микрососудов в большом круге кровообращения составляет величину порядка , микрососудистых узлов - (Глотов В. А., 2001). Большая индивидуальная изменчивость и пластичность микрососудистых сетей, сопровождающаяся передачей и обработкой огромного объема информации, являющейся атрибутом системной организации (Судаков К. В., 1999), затрудняют процесс изучения этого морфологического объекта.
Системный анализ принципов и законов, лежащих в основе построения и функционирования МЦР, является одним из важнейших направлений в современной теоретической анатомии, основы которой были заложены П. Ф. Лесгафтом. Это направление является ключом к пониманию как нормальных, так и патологических процессов в МЦР, позволяющее понять алгоритмы процессов управления в сердечно-сосудистой системе на различных иерархических уровнях (Хадарцев А. А. и соавт., 1999).
Для понимания процессов, определяющих конструкцию и функционирование МЦР, недостаточно одного классического описательного метода. Одним из методов, позволяющих представить структуру и поведение различных звеньев микрососудистых сетей, является моделирование (морфологиическое, биологическое, биофизическое и математическое), которое при определенных условиях с известной степенью достоверности может предсказывать поведение моделируемого объекта.
В кажущемся хаосе конструкций реальных микрососудистых сетей существуют четкие закономерности, которые можно формализовать, используя математический аппарат. Известны работы Roux W. (1878-1879), Murray C. D. (1926), Krogh A. (1927), Thompson D'Arcy W. (1945), Cohn D. L. (1954-1955), Розен Р. (1969), Kamiya A. M. D. (1972-2001), Zamir M. (1973-2001), Мамисашвили В. А., Бабунашвили М. К., Мчедлишвили Г. И. (1972, 1974, 1975), Мелькумянца А. М. (1978), Шошенко К. А., Голубя А. С. (1975, 1977, 1978, 1982), Глотова В. А. (1986-2002), в которых предприняты попытки разработать математические модели наблюдаемых морфологических феноменов в конфигурации микрососудистых сетей. Теоретические результаты, полученные этими авторами часто не согласуются между собой и противоречат друг другу. В виду большой трудоемкости и сложности экспериментальной проверки этих моделей, связанной с методическими и метрологическими трудностями, качественно и в полном объеме ее провести до сих пор не удается, что значительно сдерживает новые теоретические исследования топологии системы микроциркуляции. Настоящее исследование является попыткой согласовать эти результаты между собой, устранить противоречия между ними и показать пути их экспериментальной проверки.
Цель исследования
Разработка синтетической модели микрососудистых сетей на основе изучения морфологических, биологических, биофизических и математических аспектов конструкции микрососудистого русла методами моделирования.
Задачи исследования:
-
Провести проверку модели C. D. Murray для микрососудистых узлов микрососудистых сетей.
-
Провести проверку «закона кубов» для микрососудистых узлов микрососудистых сетей и изучить соотношения диаметров микрососудов в микрососудистых узлах микрососудистых сетей.
-
Разработать модель, описывающую распределение скоростей потоков крови при прохождении через микрососудистый узел и провести ее экспериментальную проверку.
-
Разработать синтетическую модель микрососудистых сетей.
-
Изучить ремоделирование микрососудистых сетей в аутотрансплантате селезенки крысы.
-
Изучить при помощи биоимпедансометрии распределение сосудистых сегментов в ткани селезенки крысы.
-
Изучить электрические явления в низкоомных точках на коже человека и их связь с гемодинамикой в микрососудистых сетях.
Научная новизна исследования
Проведен системный анализ морфо-функциональных зависимостей конфигурации микрососудистых узлов в микрососудистых сетях от характера гемодинамики на основе «закона кубов», который рассматривается с позиции квантовой модели движения крови. Проведена проверка математической модели, описывающей отношение между величинами диаметров микрососудов в микрососудистом узле на основе предположения о средне арифметических соотношениях между ними. Разработана новая математическая модель распределения скоростей потоков крови при прохождении через микрососудистый узел. Разработан подход к определению количества квантов крови, движущихся в микрососуде между двумя соседними микрососудистыми узлами. Получены новые ограничения для конфигурации реальных микрососудистых узлов. Разработана синтетическая модель микрососудистых сетей, в которой сделана попытка объединения основных морфологических, биологических, биофизических и математических моделей микрососудистых сетей.
Теоретическое значение исследования
Основное теоретическое значение исследования заключается в том, что оно показывает эффективность и плодотворность парциальной или квантовой модели движения крови в сложной системе циркуляции крови, на основе которой можно построить иерархию математических моделей оптимальной конфигурации макро- и микрососудистых узлов в реальных макро- и микрососудистых сетях, выводящихся одна из другой, которые количественно описывают наблюдаемые морфо-функциональные феномены ангиоархитектоники.
Практическая ценность исследования
Практическая ценность исследования заключается в том, что в процессе его выполнения были разработаны ряд новых устройств и методик, таких как устройство для качественного пропитывания биологического материала вакуумным методом, устройство для засвечивания биологического материала, электроды для измерения полного электрического сопротивления (импеданса) биологических тканей, переходное кольцо между бытовой цифровой видеокамерой Sony DCR-HC17E и микроскопом МББ–1, экспериментальная установка для электрохимического лизиса, способ определения полного электрического сопротивления (импеданса) биологических тканей, способ оценки соотношения красной и белой пульпы в гистологических препаратах селезенки, способ определения параметров микрососудистых узлов при биомикроскопии.
Основное положение, выносимое на защиту
Парциальная или квантовая модель движения крови через микрососудистый узел является фундаментальной основой для построения синтетической модели микрососудистых сетей, которая позволяет объединить в единое целое комплекс описательных, экспериментальных и теоретических данных, полученных с использованием принципа оптимальности, универсальной модели оптимальной конфигурации микрососудистого узла, универсального принципа симметрии П. Кюри, теоремы Ферма, теории вурфов, термодинамики и теории информации, теории фракталов, и теории графов.
Апробация материалов исследования
Апробация материалов исследования проведена на научных конференциях в виде докладов на: 27 Конференции молодых учёных и 51 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 14 апреля 1999 г.); 1 Международной студенческой конференции, посвященной 40-летию СНО Гродненского медицинского университета (Гродно, 26-28 апреля 2000 г.); 28 Конференции молодых учёных и 52 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 27 апреля 2000 г.); 29 Конференции молодых учёных и 53 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 26 апреля 2001 г.); 30 Конференции молодых учёных и 54 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 25 апреля 2002 г.); 32 Конференции молодых учёных и 56 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 22 апреля 2004 г.); заседании проблемной комиссии Смоленской государственной медицинской академии (СГМА) по иммунологии, иммуноморфологии и иммунопатофизиологии (Протокол от 24 ноября 2004 г.); 33 Конференции молодых учёных и 57 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 22 апреля 2004 г.); 34 Конференции молодых учёных и 58 научной студенческой конференции СГМА (Смоленск, 27 апреля 2006 г.), на научной конференции кафедры анатомии человека РГМУ (Протокол №9 от 22.03.2007).
По материалам исследования опубликовано 8 научных работ: научных статей - 3, тезисов докладов – 5, рационализаторских предложений – 8. Получены 3 приоритетные справки на изобретения.
Внедрение результатов исследования
Результаты исследования были внедрены на кафедре анатомии человека и в центральной научно-исследовательской лаборатории (ЦНИЛ) Смоленской государственной медицинской академии (Акт внедрения от 3.04.2007), в Областном государственном учреждении здравоохранения «Смоленский областной институт патологии» (ОГУЗ СОИП) (Акт внедрения от 3.04.2007).
Структура и объем диссертации
