СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ IN VIVO
METHOD OF NON-INVASIVE DETERMINATION OF BLOOD RHEOLOGICAL PROPERTIES IN VIVO

Изобретение относится к медицине, а именно к области техники, предназначенной для измерения физических свойств крови с использованием акустических колебаний, и может быть использовано для диагностики заболеваний сосудистой системы.
Известен способ измерения эффективной вязкости суспензии, описанный в п. РФ №2127080 по кл. A61B 8/00, 06 и G01N 33/48, з. 02.12.96, оп. 10.03.99.
Известный способ заключается в том, что in vitro измеряют спектр допплеровского ультразвукового сигнала, отраженного от эритроцитов крови, протекающей в исследуемом сосуде, и выполняют сравнение измеренного спектра с рядом опорных спектров, измеренных при определенной вязкости крови в данном сосуде, и за эффективную вязкость крови принимают то значение вязкости крови, при котором опорный спектр наилучшим образом совпадает с измеренным спектром допплеровского сигнала.
Недостатком известного способа является сложность его осуществления, обусловленная необходимостью вычисления ряда опорных спектров допплеровского сигнала, а также ограниченные эксплуатационные возможности в плане числа измеряемых параметров, поскольку измеряются только вязкость крови, частота сокращений сердца и диаметр артерии.
Известен способ измерения вязкости жидкости, описанный в одноименном патенте РФ №2112231 по кл. G01N 11/02, з. 19.02.97, оп. 27.05.98 и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ заключается в том, что зондируют протекающий по магистрали поток жидкости импульсами ультразвуковых колебаний, принимают отраженные сигналы, выделяют спектр допплеровского сдвига частот, определяют по его характеристикам скорость потока, с использованием которой рассчитывают вязкость, при этом осуществляют пережатие магистрали выше или ниже места зондирования, измерение скорости потока осуществляют в момент времени перехода от ламинарного течения к турбулентному, который определяют по спектру доплеровского сдвига частот, а вязкость рассчитывают по формуле
e кр.
ν=(V×D)/R,
где ν - вязкость жидкости;
V - скорость потока;
D - диаметр магистрали;
e кр.
R - критическое число Рейнольдса.
Недостаток известного способа заключается в том, что его эксплуатационные возможности ограничены по следующим причинам.
1. Для определения вязкости используется измерение скорости кровотока. Данный параметр не всегда можно измерить точно, поскольку требуется коррекция допплеровского угла.
2. Способ не позволяет выявить локальные изменения вязкости в сосуде.
3. Для определения вязкости жидкости требуется пережатие магистрали выше или ниже места зондирования, что при исследовании реологических свойств крови in vivo в большинстве сосудистых бассейнов технически не представляется возможным.
4. Кроме того, артифициальная турбулентность кровотока может привести к нежелательным последствиям для пациента (например, при исследовании брахиоцефальных артерий). С его помощью определяют только один из параметров, характеризующих реологические свойства крови, а именно вязкость.
Задачей заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа.
Поставленная задача решается тем, что в способе неинвазивного определения реологических свойств крови in vivo, заключающемся в том, что зондируют протекающий по сосуду поток крови импульсами ультразвуковых колебаний, определяют диаметр d сосуда, скорость потока и рассчитывают вязкость крови, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, зондирование проводят в зоне интереса в режиме энергетического цветового допплеровского кодирования, при этом вначале определяют толщину δ пограничного слоя потока крови, площадь Sδ пограничного слоя потока крови, площадь Sо сечения осевого потока крови, частоту f сокращений сердца и рассчитывают на основе полученных данных параметры, характеризующие реологические свойства крови, такие как:
- кинематическая вязкость ν крови как
2
ν=ωδ, где ω=2πf - угловая частота;
- число α Уомерсли как:
α=1/2d√ω/ν;
2
- параметр α, определяющий время, в течение которого действие вязких сил распространяется на всю ширину сосуда к периоду колебаний, как:
2
2
α=d/4ν/T, где Т=1/ω - период колебаний;
- коэффициент ε структуры потока, характеризующий соотношение вязкого и инерционного потоков крови как:
ε=Sδ/So, где Sδ - площадь сечения пограничного слоя, So - площадь сечения осевого потока.
При этом дополнительно могут также определять пиковую систолическую скорость Vps осевого потока крови и среднюю максимальную скорость Vm осевого потока крови, межинтимальный диаметр d сосуда и рассчитывают на основе этих параметров
- число Re Рейнольдса как:
Re=Vmd/ν, где Vm - средняя максимальная скорость осевого потока крови;
- скорость сдвига V как:
V=4Vps/d, где Vps - пиковая систолическая скорость осевого потока крови;
- напряжение τ сдвига как:
τ=V·ν.
2
Изначальное измерение в зоне интереса в режиме энергетического цветового допплеровского кодирования таких параметров как локальная толщина (δ) пограничного слоя потока крови, площадь Sδ сечения пограничного слоя потока крови, площадь So сечения осевого потока крови, частота f сокращений сердца, позволяющее рассчитать такие параметры реологических свойств крови, как ее кинематическая вязкость ν, число α Уомерсли, параметр α, число Re Рейнольдса и коэффициент ε структуры потока, обеспечивает в совокупности получение большого количества характеристик кровотока и позволяет выявлять локальные нарушения гемореологических свойств в зонах интереса.
Технический результат - возможность определения in vivo в любом сосудистом регионе в режиме реального времени локальных параметров вязкости крови, соотношения вязкого и инерционного потоков крови, скорости сдвига, напряжения сдвига.
2
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как зондирование в зоне интереса в режиме энергетического цветового допплеровского кодирования, измерение в зоне интереса на первом этапе толщины δ пограничного слоя потока крови, площади Sδ сечения пограничного слоя потока крови, площади So сечения осевого потока крови, частоты f сокращений сердца и расчет на основе полученных данных параметров, характеризующих локальные реологические свойства крови, такие как кинематическая вязкость ν крови, число α Уомерсли, параметр α, коэффициент ε структуры потока, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в медицине, а именно в ангиологии, неврологии, гемореологии, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется фотографией, где приведена цветовая картограмма распределения скорости кровотока в просвете кровеносного сосуда.
Заявляемый способ заключается в следующем.
Зондируют сегмент сосуда в зоне интереса и протекающий по сосуду поток крови импульсами ультразвуковых колебаний в режиме энергетического цветового допплеровского кодирования. Определяют в зоне интереса диаметр d кровеносного сосуда. Определяют локально толщину δ пограничного слоя потока крови, площадь Sδ сечения пограничного слоя потока крови, площадь So сечения осевого потока крови, частоту f сокращений сердца. По измеренным значениям рассчитывают на основе полученных данных параметры, характеризующие реологические свойства крови, такие как:
- кинематическая вязкость ν крови как:
2
ν=ωδ, где ω=2πf - угловая частота;
- число α Уомерсли как:
α=1/2d√ω/ν;
2
- параметр α как:
2
2
2
α=d/4ν/T, где Т=1/ω - период колебаний (α - время, в течение которого действие вязких сил распространяется на всю ширину сосуда к периоду колебаний);
- коэффициент ε структуры потока как:
ε=Sδ/So, где Sδ - площадь сечения пограничного слоя, So - площадь сечения осевого потока.
Затем дополнительно определяют пиковую систолическую скорость Vps осевого потока крови и среднюю максимальную скорость Vm осевого потока крови, межинтимальный диаметр d сосуда и рассчитывают на основе этих параметров
- число Re Рейнольдса как:
Re=Vmd/ν, где Vm - средняя максимальная скорость осевого потока крови;
- скорость V сдвига как:
V=4Vps/d, где Vps - пиковая систолическая скорость осевого потока крови;
- напряжение τ сдвига как:
τ=V·ν.
Практически способ осуществляют следующим образом.
Зондируют сегмент сосуда в зоне интереса и протекающий по сосуду поток крови импульсами ультразвуковых колебаний в режиме энергетического цветового допплеровского кодирования (ЦДК) линейным датчиком с частотой 9-12 МГц. Получают цветовую картограмму распределения скорости кровотока в просвете сосуда. По характеру цветовой картограммы определяют границы осевого потока и пограничного слоя.
Пограничным слоем называют область жидкости, где скорость (относительно стенки) увеличивается с удалением от стенки. В режиме ЦДК данная область имеет гетерохромную окраску. В области осевого потока градиент скорости отсутствует - данная область имеет монохромное окрашивание.
Выполняют сканирование исследуемого сосуда в продольной и поперечной плоскости. При этом вначале определяют в зоне интереса толщину δ пограничного слоя потока крови, площадь Sδ сечения пограничного слоя потока крови, площадь So сечения осевого потока крови. Толщина δ пограничного слоя равна расстоянию от стенки, на котором местная скорость достигает значения 0,99 Uo (Uo - скорость, осевого потока). На цветовой картограмме (см. фото) толщина δ пограничного слоя равна расстоянию от стенки, на котором прекращается изменение цвета потока. Пограничный слой - это область, в которой вязкость играет определяющую роль в формировании свойств потока. При пульсирующем течении в жесткой трубке толщина δ пограничного слоя равна расстоянию от стенки, на которое распространяется существенное влияние вязкости в течение одного периода колебания.
Затем сканируют сосуд в триплексном режиме с использованием спектральной импульсной допплерографии, измеряют частоту f сокращений сердца, скорость Uo кровотока в осевом потоке.
Толщина δ пограничного слоя пропорциональна  где ν - кинематическая вязкость жидкости; ω - угловая частота колебаний, ω=2πf, где f - основная гармоника колебаний потока крови с частотой, равной частоте сокращений сердца.
Следовательно, возможность локального измерения толщины пограничного слоя с помощью режима энергетического цветового допплеровского кодирования и частоты сокращений сердца с помощью спектральной импульсной допплерографии позволяет рассчитать кинематическую вязкость ν крови в зоне интереса in vivo в режиме реального времени в любом сосудистом регионе как:
2
ν=ωδ, где δ - толщина пограничного слоя, ω - угловая частота.
Кинематическая вязкость ν крови - это интегральный параметр, характеризующий реологические свойства крови. Все остальные параметры являются производными от вязкости.
Для пояснения стоит отметить следующее.
Кинематическая вязкость ν представляет собой отношение динамической вязкости µ к плотности ρ жидкости и определяется как:
ν=µ/ρ,
2
где ν, м/c - кинематическая вязкость;
µ, Па·с - динамическая вязкость;
3
ρ, кг/м - плотность жидкости.
2
В системе СИ кинематическая вязкость выражается в м/с (квадратный метр на секунду), внесистемная единица Ст (стокс).
Соотношение величин кинематической вязкости в различных единицах измерения:
-4
2
2
1 Ст=10 м/c=1 см/с
2
4
6
1 м/с=10 Ст=10 сСт (сантистокс)
Параметр α Уомерсли
ν
На основании полученных значений кинематической вязкости  определяют второй показатель - параметр α Уомерсли, характеризующий, какая часть сечения трубки занята пограничным слоем, то есть на какую часть объема движущейся крови действуют вязкие силы. Он определяется как α=1/2d√ω/ν.
2
2
2
Параметр α - время, в течение которого действие вязких сил распространяется на всю ширину сосуда к периоду колебаний. Он определяет соотношение между темпом пульсации потока жидкости и ее вязкостью как α=d/4ν/T, где Т=1/ω - период колебаний.
Коэффициент ε структуры потока, представляет собой соотношение площадей Sδ и So сечения пограничного (вязкого) и осевого (инерционного) потоков и определяется как ε=Sδ/So, где Sδ - площадь сечения пограничного слоя, So - площадь сечения осевого потока.
Число Re Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости и определяется как Re=Vmd/ν, где Vm - средняя максимальная скорость осевого потока крови.
Скорость V сдвига определяется как V=4 Vps/d, где Vps - пиковая систолическая скорость осевого потока крови, d - межинтимальный диаметр сосуда скорость V сдвига измеряется в обратных секундах (с-1) и означает величину градиента скорости движения между параллельно движущимися слоями жидкости на единицу расстояния между ними).
Напряжение сдвига τ=V·ν.
При этом для дальнейшего использования полученных характеристик следует учитывать, что нормой являются следующие их значения.
Динамическая вязкость крови при 37° составляет 3-4 мПа·с.
Плотность ρ крови = 1,060-1,064 г/мл.
Кинематическая вязкость ν крови = 2,82-3,77 cSt.
Скорость V сдвига вводится как дополнительный параметр, поскольку вязкость крови определяется как отношение напряжения сдвига к скорости сдвига (мПа·с). Вязкость цельной крови зависит от скорости сдвига в диапазоне 0,1-120 с-1. При скорости сдвига >100 с-1 изменения вязкости не столь выражены, а после достижения скорости сдвига 200 с-1 вязкость крови практически не изменяется. Величину вязкости, измеренную при высокой скорости сдвига (более 120-200 с-1), называют асимптотической вязкостью.
2
Напряжение τ сдвига составляет 32,72±5,3 дин/см (1дина на квадратный сантиметр равна 0,1 Па) 3,27±0,53 Па.
Число Re Рейнольдса = 200-1000.
Число α Уомерсли (значительно больше 1) от 1 до 10 и больше.
Интерпретация данных исследования следующая.
2
При повышении кинематической вязкости крови, уменьшении числа Уомерсли и параметра α, уменьшении числа Рейнольдса, увеличении напряжения сдвига и коэффициента ε структуры потока диагностируют снижение текучести и увеличение тромбогенности крови, повышенный риск повреждения эндотелия, нарушение атромбогенной активности эндотелия, увеличение потери энергии потока, снижение продольного градиента давления.
В сравнении с прототипом заявляемый способ обладает более широкими эксплуатационными возможностями, позволяя определить большее число параметров крови и локализовать участки сосуда с нарушением гемореологических параметров.