Диагностический комплекс для исследования упругости и эластичности кожи

диаметров всех вен, а также диаметров артерий, в том числе ПА. Между ними наблюдалась прямая тесная корреляция. Можно предположить, что, несмотря на морфологическую вариативность эндотелия артерий, и вен, изменение структуры сосудов происходит взаимосвязанно. У пациентов с ОА происходило сходное ремоделирование артерий и вен, поскольку был снижен тонус сосудов на фоне гиподинамии. Показатели здоровой и пораженной конечности имели практически одинаковую факторную нагрузку. Мы не могли отметить асимметрии изменений. Во-первых, понятие «здоровой» конечности у данных пациентов было весьма условным, поскольку процесс чаще всего был двусторонним, с преимущественным поражением одного из суставов. Во-вторых, в развитии умеренной дилатации сосудов выделение медиаторов воспаления, видимо, не имело значимого влияния, так как имелась бы асимметрия изменений.

Структура второго фактора (Ф11) характеризовала изменения линейных скоростных показателей кровотока в зависимости от диаметров вен. Определялась слабая обратная связь этих показателей. По закону Бернулли, скорость движения потока изменялась обратно пропорционально локальной площади поперечного сечения [13]. Но уравнения гидродинамики отличаются от законов гемодинамики, т. к. скорость кровотока помимо площади поперечного сечения сосуда определяется еще и вязкостью крови, а также величиной сосудистого сопротивления. Поэтому полученные факторные нагрузки имели небольшие значения.

В третьем факторе (Ф111) были представлены параметры ИОД глубоких вен обеих нижних конечностей. Имелась обратная связь с объемным кровотоком в ОБВ. Большие значения ИОД вен свидетельствовали о низком тонусе сосудистой стенки. В соответствии с законом Пуазейля объемный кровоток возрастает при низком периферическом сопротивлении в русле, то есть при дилатации мелких сосудов [10]. При увеличении емкости венозного русла на периферии снижалась объемная скорость в магистральных венах, что свидетельствовало о нарушении венозного возврата и о возможном венозном застое в нижних конечностях.

Четвертый фактор (Ф1У) описывал изменения объемного кровотока в ОБА обеих конечностей. Остальные показатели имели небольшую нагрузку в этом факторе. Прямая, но слабая связь отмечалась с величиной ПОВД. Видимо, основную роль в формировании периферического венозного давления мог играть объем поступившей крови из капилляров [14]. Описание артериального кровотока отдельным фактором указывало на то, что изменения артерий идут под влиянием иных процессов: эластичность артериальной стенки, начальные атеросклеротические изменения и т.д., которые здесь подробно не изучались.

Пятый фактор (ФУ) показал обратную корреляцию линейных скоростных показателей в глубоких венах с возрастом. С возрастом происходят структурные и функциональные изменения стенки артерий и вен, что приводит к дилатации сосудов, и, следовательно, к снижению в них скорости кровотока.

В факторе ФУ1 высокую нагрузку несли величины диаметров подколенных вен ног. При анализе структуры Ф1 отмечена высокая факторная нагрузка величин диаметров бедренных вен (0,6-0,63), в отличие от диаметров подколенных (0,27 и 0,35). Описание этого признака отдельным фактором связано с тем, что при ремоделировании бедренных и подколенных вен преобладают разные причины. Параметры гемодинамики в подколенных венах более зависят от периферических процессов.

Важная информация была получена при анализе седьмого фактора (ФУ11). Именно в ФУ11 с наибольшей факторной нагрузкой вошел показатель ЭЗВД (0,62). С возрастом степень расширения сосудов снижается [15], происходит развитие дисфункции эндотелия с повышением выработки вазоконстрикторов и проре-модулирующих агентов. Кроме того, отмечалась обратная корреляция с величиной ИОД в подколенных венах и в бедренных венах. То есть при снижении ЭЗВД степень прироста диаметров вен в ортостазе увеличивается, что является показателем снижения венозного тонуса.

Восьмой фактор (ФУШ) показал прямую зависимость наличия расширенных перфорантных вен от диаметра магистральных вен, а также обратную корреляцию с объемной скоростью в магистральных венах, то есть при уменьшении венозного возврата, видимо, имеется умеренный венозный застой в венах голени, что проявляется расширенными перфорантными венами.

Таким образом, проведенный факторный анализ продемонстрировал некоторые процессы при развитии гемодинамических

нарушений в нижних конечностях у пациентов с остеоартрозом крупных суставов. Процесс ремоделирования вен происходит параллельно с ремоделированием артерий. На фоне снижения эндотелийзависимой вазодилатации артерий происходит также снижение тонуса вен. При этом наблюдается уменьшение венозного возврата по бедренным венам, расширение перфорантных вен, признаки венозного застоя. Развитие гемодинамических нарушений у пациентов с остеоартрозом вызвано, вероятнее всего изменением образа жизни: вынужденной гиподинамией и нарушением двигательного стереотипа, поскольку наблюдаемые процессы имеют равную степень выраженности с обеих сторон.

Литература

1. Королева С.В. и др. // Гений ортопедии.- 2007.- N° 3.-С. 81-84.

2. Андрухова Р.В. и др. // Ортопедия, травматол. и протезирование.- 2О07.- № 2.- С. 42-45.

3. Травматология и ортопедия / Под ред. Н.В. Корнилова.- СПб., 2006.

4. Шевцов В.И. и др. // Гений ортопедии.- 2004.- № 4.-С. 69-74.

5. Машков В.М. и др. // Травматол. и ортопедия России.-2003.- № 2/3.- С. 7-9.

6. Затевахин И.И. и др. // Ангиол. и сосудистая хир.-2002.- № 1.- С. 17-21.

7. Матвеева Н.Ю. и др. // Вест. травматол. и ортопедии.-2002.- № 1.- С. 85-88.

8. Щелоков А.Л. и др. // Вест. травматол. и ортопедии.-2007.- № 1.- С. 16-21.

9. Домашенко М.А. и др. // Ультразвуковая и функциональная диагностика.- 2007.- № 2.- С. 73-80.

10. Ультразвуковая диагностика сосудистых заболеваний / Под ред. В.П. Куликова.- М., 2007.

11. Игнатьев ИМ. и др. // Ультразвук. и функциональная диагностика.- 2002.- № 4.- С. 76-81.

12. Терегулов Ю.Э. и др.// Эхография.- 2004.- №3.- С. 217.

13. Морман Д., Хеллер Л. Физиология сердечно-сосудистой системы.- СПб., 2000.

14. Чеберев Н.Е., Покалев ГМ. Венозная дистония и венозная недостаточность.- Нижний Новгород, 2003.- 272 с.

15. Затейшикова А А., Затейшиков А А. // Кардиол.-1998.- № 9.- С. 68-80.

16. Celermajer D.S. et al.//Lancet.- 1992.- Vol.340.- Р. 1111.

17. Verma S., Anderson TJ. // Circul.- 2002.- Vol.105, N 5.-Р. 546-549.

УДК 615.47-114:616-07-08

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГОСТИ И ЭЛАСТИЧНОСТИ КОЖИ

С.М. ЯЦУН*

Кожный покров, являющийся границей раздела внутренней среды человека с внешним миром, представляет собой важнейшую структуру, активно участвующую в жизнедеятельности организма. В отличие от внутренних органов, кожа доступна для обследования. Основными методами, используемыми врачами, являются внешний осмотр, оценка эластичности и упругости кожи путем пальпации. В ряде случаев при решении задач диагностики дерматологических заболеваний, традиционно применяемые, субъективные методы оценки состояния кожи являются мало информативными. Актуальной является проблема объективного инструментального контроля состояния кожного покрова. Активно ведутся работы по созданию таких устройств, основанных на получении объективных данных о механических, оптических, акустических, электрических параметрах кожи неинвазивными методами [4-6]. Однако анализ используемых методик и приборов различного типа показывает, что точность измерений, как правило, недостаточна высока. Это связано с тем, что мало изучен вопрос о взаимодействии прибора с кожным покровом, кроме того, объект исследования - кожа - состоит их нескольких слоев (наружного - эпидермиса, основного или собственно дермы и подкожной жировой клетчатки), обладающих своими особенными характеристиками, что, определяет гетеро-

* Курский ГУ, 305000, г.Курск, ул. Радищева

генность ее свойств. Все это затрудняет интерпретацию результатов при исследовании свойств кожного покрова [1,2,10,11].

Механические свойства компонентов дермы во многом обусловлены растяжимостью ее эластиновых и коллагеновых волокон, их количественным соотношением и пространственной ориентацией. В процессе возрастных изменений и в случаях развития патологических состояний при нарушении водного баланса и дезорганизации пространственной структуры соедини-тельно-тканных волокон изменяются механические свойства, кожа теряет эластичность. Исследования механических свойств кожи представлены статическими и динамическими методами. Статические - оценивают упругость путем измерения линейных перемещений или деформаций под действием механического напряжения. Наиболее распространенными являются методы кручения, одноосного или двуосного растяжения, поперечной деформации (вакуумная кутометрия и вдавливание).

Динамические методы позволяют определить не только коэффициенты упругости, но и коэффициенты диссипации, информирующие о текущем состоянии кожного покрова [7,8,10], исследовать процессы релаксации в коже и обнаруживать изменения в микроархитектуре дермы, проявляющиеся при физиологических изменениях и внешних воздействиях и при наследственных и приобретенных заболеваниях соединительной ткани. К ним относят баллистометрический метод основанный на воздействии падающего твердого тела с заданной высоты на тестируемую поверхность. Преимущество способа состоит в измерении относительных деформаций и силы воздействия, скорости деформации, что позволяет учесть упругий и вязкий компонент механического сопротивления кожи [12]. Вибрационная реоэластография позволяет производить измерение упругости по частоте резонанса [4]. Измерение водного баланса кожного покрова ведут путем регистрации изменения электропроводности кожи (корнеомет-рия); TEWL-тест учитывает трансэпидермальной потери воды измерением парциального давления. Оценку микроциркуляции ведут с помощью лазерной допплеровской флоуметрии. Методы исследования внутренних структур кожи представлены оптической когерентной томографией; УЗ-микроскопией; магнитнорезонансной томографией; оптической профилометрией.

Исходя из анализа существующих подходов к объективному количественному измерению упругих и диссипативных свойств состояния кожного покрова, был разработан аппаратнопрограммный комплекс для получения объективной информации неинвазивным путем in vivo. Для этого выбран класс динамических вибрационных устройств, в которых исследуется реакция кожи на кратковременное механическое воздействие [2,9]. Для определения упруго-диссипативных свойств кожи применяется устройство вибрационного типа, основанное на анализе поведения динамического, движущегося вместе с кожным покровом, контактного элемента (индентора). Основываясь на теоретических и экспериментальных исследованиях, разработан аппаратнопрограммный комплекс, позволяющий количественно оценить упруго-диссипативные параметры кожного покрова [3].

Описание прибора. Диагностический комплекс дает возможность выполнять автоматизированную (компьютерную) обработку и анализ информации. Удобный пользовательский интерфейс, построенный в среде LabView, значительно упрощает работу оператора и не требует специальной квалификации. Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рис.

Рис. Схема устройства для определения механических свойств кожного покрова, I - чувствительный элемент комплекса; II - блок аналогоцифровой обработки сигнала; III - блок обработки информации

Чувствительный элемент комплекса состоит из корпуса 1 в котором консольно закрепляется упругая направляющая 2 бойка-ударника 3. Упругая направляющая используется для запасания энергии, используемой для удара и для поджатия индентора, гарантирующего безотрывной режим колебаний контактного элемента с кожным покровом 9. С другой стороны на направляющей 2 установлены боек-ударник 3 и датчик перемещения (датчик магнитного поля на эффекте Холла) 4. В корпусе 1 крепятся постоянный магнит 5 и спусковой электромагнит 6. Датчик перемещения 4 через блок АЦП-ЦАП подключен к ЭВМ 8. Спусковой электромагнит и датчик перемещения работают от внешнего источника питания напряжением 12 В и 5 В соответственно.

В ходе исследований устройство неподвижно устанавливается на исследуемом участке кожного покрова. По команде со стороны ЭВМ через ЦАП формируется сигнал, инициирующий работу пускового электромагнита, который, включаясь, притягивает упор-ограничитель к винту регулировки чувствительности. При этом боек-ударник поднимается на необходимое расстояние, устанавливаемое при помощи винта регулировки чувствительности. Далее ЭВМ выключает пусковой электромагнит. Вследствие деформации упругой направляющей, боек ударяет по тестируемому участку кожной поверхности. Происходит колебательное движение участка кожи и бойка с датчиком перемещения. Колебательный процесс повторяется до полного затухания. Во время колебаний сигнал с датчика перемещения оцифровывается при помощи АЦП и записывается в память ЭВМ. Для получения более точного результата процесс удара бойка и считывания данных повторяется 5 раз. Таким образом, в ходе измерительной процедуры в памяти ЭВМ размещается массив чисел, характеризующий затухающие колебания бойка, соприкасающегося с кожей. Программа позволяет записывать массив полученных данных в выбранный пользователем файл.

Математическая модель взаимодействия индентора с кожным покровом. С точки зрения математического моделирования, кожа представляет собой сложный неоднородный многослойный объект, поэтому для определения реакции кожного покрова далее рассматривается упрощенная математическая модель, которая основана на предположении о том, что кожа описывается дискретной моделью, содержащей две массы, связанные между собой упруго-вязкими элементами. Приняты обозначения: Ш1 - масса бойка ударника (индентора);т2, тз -приведенные массы слоев кожного покрова, участвующие во взаимодействии; с1, с2, с3 - приведенные коэффициенты жесткостей слоев кожного покрова, участвующие во взаимодействии; Ъх, Ь2, Ъз - приведенные коэффициенты вязкого сопротивления в слоях кожного покрова; с^ Ъа - приведенные коэффициенты жесткости и вязкого сопротивления подвески индентора; Х1, Х2, Хз - обобщенные координаты перемещения эпидермиса (Х1), собственно дермы (Х2), подкожно-жировой клетчатки (Х3). Построена математическая модель взаимодействия поверхности кожи с измерительным элементом [9] и выполнены теоретические исследования с применением численного интегрирования дифференциальных уравнений математической модели, что позволило определить параметры упругой подвески индентора, обеспечивающей безотрывное движение бойка.

В работах [10,12] было показано, что глубина проникновения ударного импульса зависит от диаметра индентора. Глубина погружения для индентора 00,02 мм отражает твердость рогового слоя, 0,5 мм - дермы, 1 мм - подкожного слоя. Эти результаты были подтверждены при моделировании колебаний системы «индентор - кожный покров».

Решение нелинейных уравнений, описывающих взаимодействие кожи и индентора, проводилось в специальной программе с помощью пакета МаНЬСаё. Анализ виброграммы показывает, что развитие возмущений в коже происходит с запаздыванием, т.е. сначала индентор деформирует поверхностный слой кожи, далее возмущение распространяется в нижележащие слои. Размеры (масса) индентора влияет на глубину проникновения ударного импульса в коже. Расчеты показали, что предварительное поджа-тие индентора к коже позволяет обеспечить идентичное движение индентора и верхнего слоя кожи. Это открывает возможность, установив датчик на инденторе, судить о колебаниях, возникающих в коже. Тогда по характеру движений индентора с высокой степенью точности можно судить о перемещении внутренних слоев кожного покрова.

По результатам расчетов установлено, что перемещение бойка можно приближенно описать экспоненциальным законом: X

где ß - параметр, определяющий диссипативные свойства, ю - параметр, определяющий упругие свойства кожи, Ао - величина, определяемая начальными настройками упругой подвески индентора. Идентификация коэффициентов ß и ю по экспериментально полученным данным позволяет количественно оценить упуго-диссипативные свойства кожного покрова.

Методика определения упруго-диссипативных свойств кожного покрова основана на том, что движение индентора и исследуемого участка кожного покрова осуществляется совместно. Определение упруго-вязких параметров кожного покрова производилось путем идентификации коэффициентов уравнения свободных затухающих колебаний по формуле (1). При идентификации неизвестных параметров затухания ß и частоты ю свободных затухающих колебаний участка кожной поверхности в среде LabView использовались метод Гильберта и метод Левен-берга - Макгварда. Метод нелинейной оптимизации Левенберга -Макгварда использует для поиска минимума линейную аппроксимацию и градиентный спуск; переключение с одного метода на другой происходит в зависимости от того, была ли успешной линейная аппроксимация. Для определения частоты применяли быстрое преобразование Фурье, а для определения коэффициента затухания - построение огибающей при помощи функции Гильберта и дальнейшей аппроксимацией, позволяющий рассчитывать функцию Гильберта H(t) по исходной функции x(t):

H(f) — 1 .f * — I.Ïx(t - s) - x(t +s) * (2)-

n -J — x П 0 s

При этом огибающую получаем по формуле

A(t) = J x2(t) + H 2(t) (3).

В результате идентификации упруго-диссипативных параметров кожного покрова были получены безразмерные коэффициенты: — ß - безразмерный коэффициент затухания, оцени-

ß=~ß

вающий диссипативные свойства кожи и Ю = безразмерная

ю

частота свободных колебаний, характеризующая упругость, где Юо- частота свободных колебаний бойка-индентора на упругом подвесе в холостом режиме, ßо— коэффициент затухания в холостом режиме. Упруго-диссипативные свойства кожи определяются двумя параметрами: ß - безразмерным коэффициентом затухания и ш - безразмерной собственной частотой.

Процесс определения изменений упруго-диссипативных свойств кожи начинался с комплексного тестирования работы прибора и созданного программного обеспечения на искусственном материале с заданными характеристиками. Далее проводили исследования влияния мазевых основ (медицинский желатин, аптечный глицерин, пропиленгликоль, полиэтиленгликоль) на изменение упруго-диссипативных свойства кожи. В ходе опыта проводили троекратное измерение параметров исследуемого участка кожи без мази с интервалом 10 минут. Затем наносили мазевую основу на исследуемый участок, производили измерение параметров кожного покрова с интервалом 10 минут. После окончания действия мази делалось еще 2-3 контрольных замера. При изучении действия мазевых основ на кожном покрове установлено, что наиболее информативные результаты получены при увеличении площади соприкосновения поверхности датчика и кожи. Достоверные показатели отслеживались на участках кожи с меньшей толщиной, так как тонкие участки более чувствительны к воздействию мазевой основы и к измерениям прибора.

Выводы. Проведено испытание созданного измерительного прибора, разработана методика измерений и обработки полученных данных. Аппаратно-программный комплекс характеризуется улучшенными характеристиками, к которым можно отнести: компактность, возможность определения количественных значений упругих и диссипативных свойства кожной поверхности, автоматическое проведение измерений и расчетов, минимальное вмешательство оператора, достаточную точность. Он может быть использован в косметологии, фармацевтической промышленности для неинвазивной диагностики состояния кожного покрова, что позволит своевременно корректировать профилактические мероприятия и лечение.

Литература

1. Гребенюк Л. А., Утенкин А.А. //Физиология человека.-1994.- №2.- С.157-162.

2. Лушников Б.В. и др. Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр.- Ч. II.- Курск.- 2005.- С.41-47.

3. АС на полезную модель РФ №24786, МПК А21 В3/16. Устройство для определения механических свойств кожного покрова человека неразрушающим способом / С.Ф. Яцун,

B. А. Шеполухин; Опубл. 10.02.2000; Бюл. №2.

4. Тимофеев А.Б. и др.//Мед. техника.- 2005.- №3.- С. 15.

5. Тимофеев Г.А. // Косметика & медицина.- 2005.- № 4.-

C.28-36.

6. Яцун СМ. Медико-экологические информационные технологии: Сб. науч. тр.- Курск.- 2007.- С. 105-112.

7. Яцун С. М. и др. Медико-экологические информационные технологии: Сб. науч. тр. - Курск. - 2002.- С.178-193.

8. Яцун СМ. и др. // Известия КГТУ.- Курск.- 2001.-№6.- C.64-69.

9. Edwards C., Marks R. // Clin. Dermatol.- 1995.- Vol.13 (4).- P.375-380.

10. Jatsun S.F. et al. // III International Congress on Sound and Vibration.- Hong Kong, 2001.- P. 313-318.

11. Pereira JM. et al. // J.Biomech.- 1991.- Vol. 24(2).-P.157-162.

12. Shepoluchin V., Jatsun S. // Euromech colloquium.-Vol. 437.- Prague, 2002.- С.17-19.

УДК 57.045:574.24

СВЯЗЬ АДАПТАЦИОННЫХ РЕАКЦИЙ С ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ У ИСПЫТУЕМЫХ С РАЗЛИЧНЫМ ВЕГЕТАТИВНЫМ

СТАТУСОМ

П.Е. ГРИГОРЬЕВ*

Надежно установлена важная роль гелиогеофизических факторов (ГГФ) в жизнедеятельности биосистем [4, 6, 10]. Получены экспериментальные доказательства экологического значения ГГФ, которые определяют параметры электромагнитного и акустического природного фона и модулируют показатели электромагнитных полей (ЭМП) антропогенного происхождения в среде обитания [4, 12], что увеличивает степень влияния гелиогеофизи-ческих вариаций на физиологические процессы.

Природные электромагнитные и акустические колебания, связанные с солнечной активностью, не только биоэффективны, но и необходимы для нормального функционирования биологических систем и разноуровневых процессов адаптации, что убедительно показано в экспериментах с экранированием биообъектов от природных ЭМП. Т.к. эволюция биологических видов протекала на фоне квазиритмичных изменений в параметрах ГГФ, организмы используют эти изменения в качестве датчиков времени для синхронизации собственной биологической ритмики в широком диапазоне периодов и системной адаптации к среде обитания [4]. Именно ГГФ как датчики времени сыграли определяющую роль в самоорганизации биологических систем [11]. По обоснованному предположению [3], именно ритмы ГГФ сформировали эндогенную ритмику биосистем в процессе эволюции.

Организм на протяжении всей жизни непрерывно адаптируется к среде обитания, и все его системы находятся в состоянии гомеокинеза: интегральные показатели системы колеблются около некоего среднего положения, оставаясь в определенных рамках [13]. Это обеспечивает возможность динамической подстройки и синхронизации систем организма с факторами среды обитания. Наряду с этим сложные (в том числе биологические) системы сохраняют свою целостность и устойчивость благодаря наличию и взаимозаменяемости отрицательных обратных связей [9]. Поэтому многие динамические процессы гомеокинеза разных систем в здоровом организме взрослого индивида существуют как бы в неявном виде, оставаясь в физиологических пределах, либо для их фиксации и установления закономерностей требуются специально организованные мониторинговые исследования.

Наиболее чувствительны к действию ГГФ системы, отвечающие за адаптацию к среде обитания, - нервная, гуморальная,

* Таврический гуманитарно-экологический институт. Украина, 95015, АР Крым, г. Симферополь, ул. Севастопольская, 62