Сайт Информационных Технологий

Некоторые аспекты моделирования биомеханики кожной микроциркуляции

П.Н. Афонин1, П.И. Бегун1, Д.Н. Афонин2

1Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет,

2Санкт-Петербургский Государственный НИИ Фтизиопульмонологии

Abstract – A new noninvasive impedance method has been proposed to determine the permeability of skin capillaries, which involves measurement of the electric resistance of a skin area before and after exposure to negative pressure. There is a convergence of clinical data and simulation of skin microcirculation biomechanics. The changes in the permeability were studied in different periods after recovery of adequate blood supply in the diseased limb. The investigation has allowed the developed permeability coefficient to be included into the algorithm of diagnosing and treating patients with arterial diseases.

Одним из актуальнейших направлений исследования микроциркуляции является изучение транскапиллярного обмена, в значительной степени обеспечиваемого проницаемостью стенки капилляра, т.е. её способностью избирательно пропускать различные вещества и форменные элементы крови.

В то время, как методы экспериментального исследования транскапиллярного обмена на животных [1, 2] разработаны и внедрены в практику, в клинической практике отсутствуют методы, позволяющие точно, объективно и неинвазивно прижизненно исследовать состояние микроциркуляторного русла [3, 4].

Наиболее доступными для исследования являются капилляры кожи, изменения в которых достаточно объективно отражают состояние микроциркуляторного русла всего организма. Сравнительная оценка известных, так называемых "петехиальных", способов определения проницаемости кожных капилляров показала, что наиболее информативными и наименее травматичными следует считать способы отрицательного давления и венозного застоя. Однако, отрицательной их стороной является недостаточная объективность измерений, т.к. количество петехий, обнаруживаемых исследователем, зависит не только от проницаемости капилляров кожи, но и от многих других факторов: толщины эпидермиса, наличия увеличительной техники (лупы), показателей крови (диаметра эритроцитов) и т.п.

Использовав указанные методики в качестве прототипов, нами был разработан новый неинвазивный импедансометрический метод определения проницаемости капилляров кожи [5]. Для реализации этого метода предложен оригинальный 3-х электродный способ, на который было получено положительное решение о выдаче патента РФ. В нашем способе в качестве токового электрода используется кольцевой электрод, в центр которого помещается потенциальный. Их пара в конструктивном исполнении образует составной (компаундный) электрод. Индифферентные электроды нулевого потенциала совмещены в один. В соответствии с классической теорией электроразведки такая измерительная схема позволяет исследовать изменения электрического импеданса в глубине участка кожи ограниченного кольцевым электродом. Способ позволяет судить, при заданной конфигурации электромагнитного поля, о сопротивлении в глубине кожного слоя по распределению потенциала на его поверхности.

Для обоснования способа, на основе теории распространения электромагнитного поля в проводящей многослойной среде – коже были построены теоретические и физические модели. Было выявлено, что основными факторами, влияющими на чувствительность метода, являются геометрические размеры электродов, их поверхностная топография. Был проведен комплекс численных и натурных экспериментов, позволивший выбрать оптимальную геометрию электродов, оптимальную частоту зондирующего тока и вид поверхности электродов.

Исследования влияния деформации кожи на изменение параметров транскапиллярного обмена потребовало проведения анализа распределения перемещений как в самом слое кожи, так и в подкожных тканях. Для этого нами были построены различные расчетные схемы и математические модели [6, 7, 8]. Во всех случаях участок кожи с подкожными тканями в окрестности кюветы представляли плитой, находящейся под действием распределенной осесимметричной нагрузки на круге радиусом равным радиусу вакуумной кюветы.

Вычисления производились с использованием метода конечных элементов в пакете прикладных программ Cosmos/m. В процессе вычислений, в соответствии с принятой расчетной схемой, строилась трехмерная геометрическая модель, производилось ее разбиение на конечные элементы, задавались граничные условия, производился расчет напряжений и перемещений. Конечные элементы выбирались типа 8-ми узловых трехмерных сплошных элементов.

По результатам вычислений узловых напряжений и перемещений формировалась внешняя база данных в Microsoft Excel 97. Дальнейший расчет необходимых параметров производился с использованием разработанного нами программного обеспечения, реализованного в среде визуального программирования Visual Basic.

Учитывая то, что кожа расположена на подкожной жировой клетчатке, позволяющей слою кожи достаточно свободно скользить по ней, а так же то, что первоначальная деформация поверхности кожи происходит за счет "подсасывания" окружающей кожи, что приводит к нелинейности распределения перемещений в исследуемом диапазоне давлений расчетная схема представлялась в виде имеющей начальный (полученный экспериментально при величине давления 150 мм рт. ст.) изгиб осесимметричной плиты, находящейся под действием распределенной осесимметричной нагрузки на круге радиусом 15 мм. Такой подход позволяет исключить из рассмотрения подкожные ткани, так как их влияние уже учтено.

Расчетная схема. Рассмотрим участок кожи в виде плиты, толщиной 2 мм. Материал плиты однородный, изотропный, следующий закону Гука, с приведенным модулем упругости Eпр1=0.01 МПа. По контуру запрещаются перемещения по осям x, y, z. К поверхности плиты приложена распределенная осесимметричная нагрузка p.

 

 

 

Рис.1. Расчетная схема.

Результаты расчета перемещений в диапазоне прикладываемых давлений от 200 до 300 мм рт. ст. представлены на рис. 2.

Построенная, на основе описанной расчетной схемы, модель изменения транскапиллярного обмена позволила рассчитать минутный объем плазмы, выходящей из капилляров при воздействии на кожу отрицательным давлением.

Рис.2. Распределение вертикальных перемещений D h слоя кожи при различных величинах отрицательного давления. I – 300 мм рт. ст, II – 250 мм рт. ст, III – 200 мм рт. ст.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать специализированный аппаратный комплекс для исследования проницаемости кожных капилляров (рис.3).

Рис. 3. Импедансометрический способ

определения проницаемости кожных капилляров.

Методика исследования поясняется рис. 3. На исследуемый участок кожи 1 накладывается кювета 2, соединенная с устройством для создания отрицательного давления 3 (вакуумный насос, шприцевое устройство) и манометром 4. В кювете 2 находятся два электрода 5 и 6, соприкасающиеся с кожей 1. Электрическое сопротивление в области участка кожи под кюветой 2 измеряется с помощью электродов 5, 6 и 7 устройством регистрации 8 до и через определенное время после создания отрицательного давления величиной от 150 до 300 мм рт. ст. в кювете 2. О проницаемости кожных капилляров судят по разнице между этими двумя величинами.

Исследование возможности применения импедансометрического способа на моделях некоторых патологических процессов [9], таких как заболевания сердечно-сосудистой, центральной и периферической нервной системы и системных заболеваний соединительной ткани позволило обосновать включение импедансометрической методики в скрининговый метод обследования больных с атеросклерозом, критической ишемией нижних конечностей и скрытыми отеками.

В настоящее время разработанный нами метод успешно применяется для диагностики степени недостаточности кровообращения у больных облитерирующим атеросклерозом артерий нижних конечностей, определения уровня ампутации при критической ишемии. Использование предложенного нами способа в сочетании с туберкулиновыми кожными пробами позволило повысить эффективность диагностики туберкулеза и определить его активность.

Литература

1. Gallo S.A., Oseroff A.R., Johnson P.G., Hui S.W. Characterization of electric-pulse-induced permeabilization of porcine skin using surface electrodes. Biophysical J. 1997.- V.72.- P.2805-2811.

2. Rose C.P., Goresky C.A. The capillary and sarcolemmal barriers in the heart: An exploration of labeled water permeability. Circ. Res. 1977.- V.41.- P.515-533.

3. Methods in biotechnology, vol. 7: Affinity biosensors: techniques and protocols, edited by K.R.Roger and A.Mulchandani. Totowa, NJ: Humana, 1998, 249 pp.

4. Jacquez J.A. Compartmental analysis in biology and medicine, 3rd ed. Ann Arbor, MI: BiomedWare, 1996.

5. Афонин Д.Н., Гордеев Н.А., Афонин П.Н., Игнатьев Е.И. Способ определения проницаемости капилляров кожи. Патент Российской Федерации на изобретение N 2080816 от 10 июня 1997 г., опубликован БИ.- 1997.- № 16.- С. 57.

6. Баллюзек Ф.В., Афонин Д.Н., Добрынин Е.В., Афонин П.Н. Способ определения проницаемости кожных капилляров // Медицинская техника.- 1997.- № 6.- С. 30-33.

7. Афонин П.Н., Бегун П.И. Моделирование гибких структур человеческого организма // Известия ГЭТУ. Вопросы исследования и моделирования электронных приборов. 1998.- Выпуск 516.- С. 64-68.

8. Afonin D.N., Gordeev N.A., Afonin P.N. Prognostic significance of skin capillary permeability measurements in patients with terminal extremity ischemia // Biomedical Engineering.- 1995.- Vol. 29, N 4.- P. 194-195.

9. Афонин П.Н., Афонин Д.Н., Бегун П.И., Пахарьков Г.Н. Исследование проницаемости кожных капилляров импедансометрическим методом. // Тезисы докладов II Съезда биофизиков России, Москва, 23-27 августа 1999 г.- М., 1999.- Т.2.- С. 642-643

.
Site of Information Technologies
Designed by  inftech@webservis.ru.