CC BY
73
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ВИСКОЭЛАСТОМЕТРИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЯГКИХ ТКАНЕЙ
Тиманин Е.М.(Б-шаП: [email protected]). Еремин Е.В.
Нижний Новгород. Институт прикладной физики РАН
В докладе представляется вибрационная компьютеризированная технология. позволяющая проводить измерения сдвиговой упругости и сдвиговой вязкости мягких биологических тканей. основанная на регистрации с помощью специализированного вибродатчика динамической жесткости и механического импеданса тканей при контакте с ними колеблющегося диска. Проводится обзор разработанных экспериментальных средств и акустических моделей для интерпретации результатов экспериментов.
Достаточно давно известно [1]. что упругие (и вязкоупругие) характеристики биологических тканей. особенно относящиеся к сдвиговым деформациям. являются очень чувствительными к надмолекулярной структуре тканей. Это открывает возможности объективного отслеживания на основе их измерения изменений состояния тканей в результате естественных физиологических процессов. в результате заболеваний и в результате действия различных внешних факторов (тепло. холод. свет. влажность и т.п.. а также. например. косметика. массаж. тренировка и т.д.). Известны [2 - 4] достаточно многочисленные примеры характеризации состояния тканей по их механическим свойствам. например. состояния кожи при отеках. при различных заболеваниях и при ожоговых травмах. состояния мышц при утомлении. при пересадке. при действии невесомости. состояния печени при циррозе и при хроническом гепатите и т.д. Одним из наиболее удобных в использовании подходов к измерению механических характеристик биологических тканей является подход. основанный на экспериментах по вдавливанию в ткани небольшого колеблющегося диска. Этот подход имеет достаточно давнюю историю [5-9]. но остается актуальным и в настоящее время [10. 11]. На его основе могут быть разработаны различные новые методы медицинской диагностики. контроля лечения. контроля тренировки и т.п. (в неврологии. в травматологии. в спортивной и в космической медицине и т.д.). В первую очередь. перспективной представляется разработка методов оценки состояния нервно-мышечной системы человека по результатам мониторинга вязкоупругих характеристик поверхностных тканей в ходе различных тестов.
В ИПФ РАН на протяжении целого ряда лет ведется разработка способов "вибрационной вискоэластометрии" биологических мягких тканей [12-25]. основанных на методе вдавливания колеблющегося диска. Базовым разделом проводимой работы является разработка экспериментальных средств для измерения и мониторинга механических характеристик биологических тканей. в том числе. живых поверхностных тканей человека. Пройдена эволюция этих экспериментальных средств от стационарной лабораторной установки на базе виброзадающей и виброизмерительной аппаратуры фирмы Брюль и Кьер [12. 13] (рис.1а) и портативных электронных устройств для измерения вязкоупругих параметров тканей [14. 15] (рис.1б) до специализированных аппаратно-
программных комплексов (АПК) реального времени [16-25] (рис.1в).
Теоретической основой способов "вибрационной вискоэластометрии" являются разработанные акустические модели взаимодействия поверхностного вибрационного источника со слоисто-неоднородными биологическими тканями [12. 13. 16-21]. которые используются для интерпретации измеряемых
импедансных характеристик тканей (рис.2) и для решения обратных задач на основе таких измерений.
Рис.1. Экспериментальные средства для "вибрационной вискоэластометрии".
АПК "Регистратор временной динамики динамической жесткости биотканей".
Третьим разделом проводимой работы является проверка информативности методов "вибрационной вискоэластометрии" при исследовании состояния нервномышечной системы человека. С этой целью проведен цикл биомеханических лабораторных экспериментов [15, 17, 22-25] по исследованию сдвиговых
вязкоупругих параметров живых поверхностных тканей человека в "статических" условиях (рис.3) и в ходе развития быстрой реакции на различные тестовые воздействия (рис.4). В самое последнее время в рамках программы "Фундаментальные науки медицине" начата работа по адаптации лабораторных макетов АПК к использованию в условиях неврологической клиники и по разработке методов диагностики и контроля лечения неврологических патологий на основе "вибрационной вискоэластометрии".
35
30
25
20
15
10
5
0
3 jA
( i. / ' / ^
4 /
A
2
„mill _J1HIL
0.5
0J8
1.1
1Л
£, сек
1.7
23
Рис. 2. Изменения амплитуды электромиограммы (V) и эффективных модулей сдвиговой упругости (Е) и вязкости (V) бицепса в ходе удержания им постоянной силы 20 Н.
1. Sarvazyan A. Elastic Properties of Soft Tissue / In: Handbook of Elastic Properties of Solids, Liquids, and Gases, edited by Levy, Bass, and Stern. V.III: Elastic Properties of Solids: Biological and Organic Materials, Earth and Marine Sciences. Academic Press, 2001. P.107-127.
2. Медицинская биомеханика. В 4-х томах. Рига, 1986. Т.1. 675с.
3. Методы вибрационной диагностики реологических характеристик мягких материалов и биологических тканей / Сб.науч.тр. Горький:ИПФ АН СССР, 1989. 156с.
4. Proceedings of the Sixth International Conference on the Ultrasonic Measurement and Imaging of Tissue Elasticity. Santa Fe, New Mexico, USA. November 2-5, 2007. 152p.
5. Franke E. Mechanical impedance of the surface of the human body // J. Appl. Physiol. 1951. V.3. P.582-590.
6. von Gierke H.E., Oestreicher H.L., Franke E.K., Parrack H.O., von Wittern W.W. Physics of vibrations in living tissues // J. Appl. Physiol. 1952. V.4. P. 886-900.
7. Oestraeicher H. Field and impedance of oscillating sphere in a viscoelastic medium with an application to biophysics // J. Acoust. Soc. Am. 1951. V.23. P. 707-714.
8. Oka H., Nakamura T. Estimation of internal structure and viscoelasticity from mechanical impedance // Electrical Engineering in Japan. 1998. V.125. V.31-39.
9. Skovoroda A.R., Aglyamov S.R. Reconstruction of the elastic properties of layered viscoelastic media using impedance measurements // Biophysics. 1998. V.43. P. 348-352.
10. Zhang X., Royston T.J., Mansy H.A., Sandler R.H. Radiation impedance of a finite circular piston on a viscoelastic half-space with application to medical diagnosis // J. Acoust. Soc. Am. 2001. V.109. V. 795-802.
11. Boyer G., Laquieze L., Le Bot A., Laquieze S., Zahouani H. Dynamic indentation on human skin in vivo: ageing effects // Skin Research and Technology. 2008. V.14. P.1-13.
12. Тиманин Е.М. О возможности измерения реологических характеристик мягких тканей предплечья человека на основе регистрации их поперечной жесткости // Биофизика. 1989. Т.34, N.3. С.512-516.
13. Timanin E.M. On contribution of shear waves into a transverse stiffness of soft biological tissues in vibrating indentor investigations // 13 International Congress on Acoustics. Belgrade, 1989. V.4. P. 215-218.
14. Патент РФ 2082312 // Устройство для определения вязкоупругих свойств мягких тканей / Тиманин Е.М., Антонец В.А., Шишков А.В., и др. Б. И. 1997. N.18.. С.48.
15. Тиманин Е. М. О возможностях способа миотонографии // Медицинская техника. 1998. N 2. - С.39-41.
16. Ерёмин Е.В., Тиманин Е.М. Интерпретация механического импеданса слоя, измеренного с помощью твердого круглого штампа // Акустический журнал. 2000. Т.46. N 4. С.490-495.
17. Timanin E.M., Eremin E.V. Monitoring of Biceps Characteristics in Sustained Isometric Contractions by the Methods of Impedance Mechanomyography and Electromyography // Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2002. V.4, Suppl. 1. P. 616-617.
18. Тиманин Е.М., Ерёмин Е.В. Интерпретация механического импеданса биологических тканей в трехслойной модели с силовым источником колебаний // Биофизика. 2003. Т.48, N 2. С.324-331.
19. Тиманин Е.М., Еремин Е.В. Интерпретация импедансных характеристик биологических тканей в моделях с силовым источником колебаний с трением // Акустика речи. Медицинская и биологическая акустика. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. Т.3. М.: ГЕОС, 2003. С.175-179.
20. Тиманин Е.М. Механический импеданс биологических тканей в модели с заданными смещениями на поверхности полупространства // Акустический журнал. 2007. Т.53, N 5, С.724-727.
21. Тиманин Е.М. Поля смещений поверхностного источника колебаний в слоистой биологической ткани // Акустический журнал. 2002. Т. 48, N 1. С.98-104.
22. Тиманин Е.М., Еремин Е.В. Исследования информативности методов компьютерной импедансной механомиографии // Современные информационные технологии в диагностических исследованиях. Сборник
докладов Международной научно-практической конференции. -
Днепропетровск: Пороги, 2002. С.191-194.
23. Тиманин Е.М., Ерёмин Е.В., Филоненко С.Б., Грибков А.Л. Мониторинг вязкоупругих характеристик бицепса в ходе внешней электрической стимуляции // VI Всероссийская конференция по биомеханике. Тезисы докладов. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2002. С.86.
24. Тиманин Е.М., Еремин Е.В. О возможностях импедансной механомиографии // Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2004. Т. 90, № 8. С.403-404.
25. Timanin E.M., Eremin E.V. Computer-based vibrational viscoelastic measurement of soft tissues // Proceedings of the Third International Conference on the Ultrasonic Measurement and Imaging of Tissue Elasticity. Lake Windermere, Cumbria, UK, October 17-20, 2004. P.107.
HARDWARE-SOFTWARE DEVICES FOR VIBRATIONAL VISCOELASTOMETRY OF BIOLOGICAL SOFT TISSUES
Timanin E.M. (E-mail: [email protected]), Eremin E.V.
Nizhny Novgorod, Institute of Applied Physics of RAS
Vibrational computer-based technology is presented providing measurement of elasticity and viscosity parameters of soft biological tissue by the hand-held probe on the basis of dynamic stiffness and mechanical impedance registration in experiments on tissue touching by a vibrating disk. A review is made of experimental means developed for this purpose as well as of acoustic models suitable for experiments interpretation.
