Описание

Экспериментальные исследования | Испытательный стенд для исследования вязкопластических свойств биологических тканей

Автор: К. С. Аветисов, И. А. Новиков, В. И. Сипливый, А. Г. Маркосян

Учреждение Российской академии медицинских наук НИИ глазных болезней РАМН, Москва; кафедра офтальмологии Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова



В последние годы в офтальмологии как в научных исследованиях, так и в клинической практике достаточно широко придерживаются подходов, предполагающих активное изучение биомеханических свойств различных анатомических структур. Энциклопедическое определение трактует биомеханику как "раздел биофизики, в котором рассматривают механические свойства тканей и органов, а также механические явления, происходящие в живых организмах в процессе их жизнедеятельности". Данное определение может быть дополнено важным тезисом: "...в том числе в результате заболеваний, а также применения различных методов диагностики и лечения".

Анализ данных литературы свидетельствует о том, что процесс изучения биомеханических свойств структур глазного яблока развивается в трех основных направлениях: экспериментальные исследования, математическое моделирование и прижизненная оценка.

Объектами экспериментальных исследований могут являться удаляемые в ходе хирургических вмешательств анатомические структуры (например, роговица, хрусталик) или их фрагменты, кадаверные изолированные глаза и глаза экспериментальных животных (чаще кролика). Отсутствие процессов репарации в удаленных тканях и кадаверных глазах, возможные постмортальные изменения последних, а также известные различия в анатомическом строении глаз человека и кролика не позволяют оперировать абсолютными значениями различных показателей, характеризующих биомеханические свойства тканей.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Тем не менее к различным вариантам экспериментального изучения биомеханических свойств структур глазного яблока до сих пор широко прибегают в научных целях. Так, при исследовании удаленных тканей возможно выявление корреляционной зависимости между экспериментальными данными и результатами клинических тестов, предпринимаемых для оценки каких-либо биомеханических показателей.

В эксперименте на кадаверных глазах и глазах кролика в сравнительном аспекте оценивают как исходные биомеханические свойства, так и их изменения в результате моделирования различных заболеваний или каких-либо вмешательств (хирургических, лазерных и т. д.). При этом очевидно, что в таких экспериментальных исследованиях могут быть использованы только относительные показатели для оценки наступающих изменений биомеханических свойств. Этот тезис подтверждается и существенной вариабельностью экспериментально полученных в различных исследованиях показателей, характеризующих биомеханические свойства роговицы: модуля Юнга (Е); коэффициента Пуассона (u); прочности (o); запаса деформативной способности (z) и т. д.

Еще одно преимущество экспериментального изучения "биомеханики" заключается в отсутствии ограничений на применяемые методы и подходы, выбор которых в основном лимитирован только современным научно-техническим развитием.

Алгоритм экспериментального исследования биомеханических свойств биологических тканей включает три основных этапа:

1) дозированное механическое воздействие на образец;
2) изменение физического состояния образца (деформация, частичное или полное разрушение);
3) обработка полученных результатов.

Различные варианты экспериментального исследования биомеханических свойств структур и тканей глаза, предполагающие использование описанного алгоритма, объединяют термином "офтальмомеханография".

К серийно выпускаемым приборам, обеспечивающим возможность проведения механографических тестов, относится испытательное устройство "Instron" — достаточно дорогостоящий и сложный в эксплуатации прибор. Указанная установка позволяет оценивать деформацию образца в зависимости от прилагаемого к нему усилия.

Этот подход весьма удобен для изучения упругих и вязкоупругих свойств тканей, например роговицы, однако плохо позволяет описывать необратимые деформации испытуемого объекта. Последнее обстоятельство приобретает особое значение при оценке биомеханических свойств таких "пластичных" внутриглазных структур, как хрусталик и стекловидное тело.

Предлагаемый испытательный стенд (рис. 1) предназначен для экспериментальных исследований и позволяет проводить количественную оценку вязкопластических и хрупких свойств биологических тканей.



1) гидравлическая система подачи испытательного инструмента (плунжера) с программируемой постоянной скоростью подачи;

2) система оценки усилия, передаваемого на испытуемый образец.

Оба модуля смонтированы на единой станине с бинокулярным микроскопом, обеспечивающим визуальный микроконтроль за испытуемым образцом.

Принципиальная схема стенда включает следующие основные узлы (рис. 2):



1 — нагнетательная система для гидравлической подачи плунжера с постоянной программируемой скоростью (в разработанном устройстве использован серийно выпускаемый инфузомат для дозированных внутривенных вливаний);

2 — оптическая система микроконтроля положения плунжера;

3 — система грубой регулировки положения плунжера;

4 — гидравлический привод плунжера;

5 — система количественной оценки усилия, передаваемого на испытуемый образец (на цифровых весах высокой точности);

6 — испытательный инструмент (плунжер), система фиксации предусматривает возможность применения плунжера с различной конфигурацией рабочей части;

7 — форма для фиксации испытуемого образца;

8 — персональный компьютер с программой для обработки результатов испытаний.

Гидравлическая система подачи плунжера позволяет осуществлять поступательное движение испытательного инструмента со скоростью в диапазоне от 0,06 до 30 мм/мин включительно. По сравнению с прямой механической подачей применение "гидравлики" делает систему более демпфированной и практически исключает избыточное инерционное воздействие инструмента в момент разгрузки напряжения при локальном разрушении ткани.

Система оценки усилия, передаваемого на образец, позволяет 5 раз в секунду получать данные с разрешением 0,02 гс (предельное оцениваемое усилие составляет 300 гс). Обработку данных обеспечивает персональный компьютер. Специальная программа позволяет строить график разрушающего усилия в материале по мере подачи плунжера, в котором данные по оси абсцисс соответствуют величине разрушающего усилия (в грамм-силе — гс), а по оси ординат — степень погружения плунжера в испытуемый образец (в микрометрах — мкм).

Предварительная оценка работоспособности предлагаемого устройства была проведена в рамках научного исследования, касающегося изучения возможностей применения пространственного ультразвукового метода для оценки различных параметров хрусталика, в частности его акустической плотности. При анализе результатов операции ультразвуковой факоэмульсификации по поводу катаракты были получены данные о корреляции акустической плотности хрусталика с "кумулятивной" энергией ультразвука (англ. Cumulative Dissipated Energy), затраченной в ходе факоэмульсификации.



Хотя эти данные в известной степени носили косвенный характер, тем не менее они подтверждали возможность предоперационной оценки плотности вещества хрусталика пространственным ультразвуковым методом. Прямые же доказательства "работоспособности" метода можно было получить при сравнении показателей акустической плотности и биомеханических свойств хрусталика.

В связи с этим 9 хрусталиков, удаленных экстракапсулярным методом по поводу катаракты, были подвергнуты механографическим испытаниям. В ходе дооперационного ультразвукового исследования проводили сравнительный денситометрический анализ ядерных, передних и задних кортикальных слоев хрусталика с определением так называемой суммарной ультразвуковой или акустической плотности (в условных единицах — у. е.) на основе двухмерных тканевых гистограмм. До проведения испытаний образцы хранили в сбалансированном растворе при температурном режиме порядка 5—7°С. Рабочая часть плунжера представляла собой полусферу площадью 0,25 мм2.

В ходе эксперимента для каждого из образцов были получены кривые разрушающего усилия, характеризующие вязкопластические свойства вещества хрусталика. В таблице для каждого испытанного образца представлены данные об акустической плотности (АП в у. е.) и показатель, полученный на основании анализа кривых и отражающий вязкопластические свойства образца — так называемая средняя вязкость (СВ в гс/мм2). Анализ данных таблицы свидетельствует о существенной зависимости между акустической плотностью хрусталика и его вязкопластическими свойствами (коэффициент корреляции 0,74; рис. 3). Исключение составляют результаты испытаний образца № 9, возможно, обусловленные локализацией помутнений хрусталика в основном в задних слоях.



Для наглядности на рис. 4 представлены графики, отражающие вязкопластические свойства условно "мягкого" и "жесткого" хрусталиков по данным ультразвукового пространственного исследования (АП 8,85 и 27,65 у. е. соответственно).



Полученные в эксперименте результаты позволяют сделать вывод о принципиальной возможности применения разработанного испытательного стенда для исследования вязкопластических свойств биологических тканей. В ближайшей перспективе в различных вариантах планируется изучение указанных свойств роговицы.

---

Статья из журнала: Вестник Офтальмологии | Том 128. №2 2011