CC BY
2Central Hemodynamics and Arterial Stiffness in Adult Humans Depend on the Conditions of Early Development in the Northern Kola Peninsula //ISSN 0362_1197, Human Physiology, 2016, Vol. 42, No. 2, Р. 150.
32. Тельцов Л.П., Романова Т.А., Здоровинин В.А., Шашанов И.Р., Добрынина И.В., Кудаков Н.А., Родин В.Н.
Вивогенез и критические фазы развития человека и живот-ных//Фундаментальные исследования. - 2008, № 12 - С. 9.
33. Obrist P, The cardiovackular-behavioral interaction -as it appears today//Psychophysiology.-1976, Vol.13-P.95.
Семерник О.Е.
Ростовский государственный медицинский университет к.м.н., ассистент кафедры детских болезней №2
Лебеденко А.А.
Ростовский государственный медицинский университет д.м.н., заведующий кафедрой детских болезней №2
Демьяненко А.В.
Южный Федеральный Университет к.т.н., доцент кафедры антенн и радиопередающих устройств
Семерник И.В.
Южный Федеральный Университет к.т.н., младший научный сотрудник кафедры антенн и радиопередающих устройств
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАНТОМА ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ELECTRODYNAMIC SIMULATION HUMAN CHEST PHANTOM FOR EXPERIMENTAL STUDIES
Semernik O.E., Rostov State Medical University, PhD, assistant of the department of children S diseases №2
Lebedenko A.A., Rostov State Medical University, MD, head of the department of children's diseases №2
Semernik I.V, South Federal University, Candidate of Technical Sciences, Associate Researcher Department of antennas and radio transmitters
Dem'yanenko A.V., South Federal University Candidate of Technical Sciences, assistant professor of antennas and radio transmitters
АННОТАЦИЯ
Проведено электродинамическое моделирование конструкции фантома грудной клетки. Он может быть использован для экспериментальных исследований и создания антенн-аппликаторов различных диапазонов частот, используемых в современной медицинской диагностической технике. Разработанный фантом позволяет моделировать различные заболевания бронхолегочной системы. Проведенные исследования показали высокую информативность применения данного фантома и его физическую адекватность.
ABSTRACT
Electrodynamic modeling design phantom chest was held. It can be used for experimental researches and modeling of various frequency bands applicators that used in modern medical diagnostic equipment. Designed phantom allows you to simulate various diseases of respiratory system. Conducted researches has shown the high informativity and physical validity of designed human chest phantom.
Ключовi слова: фантом, модель, грудная клетка, легкие, электромагнитные волны, диагностика
Keywords: phantom, model, chest, lung, electromagnetic waves, diagnostics
Грудная клетка человека представляет собой неоднородную систему, состоящую из позвонков, грудины и ребер, соединенных связками и суставами, а также внутренних органов. Особое место в анатомической структуре занимает бронхолегочная система, заболевания которой достаточно сложно диагностировать на ранних этапах развития. В настоящее время разработано значительное количество приборов, позволяющих выявить изменения не только в структуре каркаса грудной клетки, но и в легочной паренхиме, а также в бронхах: рентгенографы, бронхоскопы, аппараты компьютерной и магнитно-резонансной томографии и др., - однако, некоторые из них могут оказать негативное влияние на организм человека, а применение их у пациентов раннего возраста зачастую невозможно без премедикации. При этом в последнее время в научной периодической печати появи-
лись работы, посвящённые возможности диагностики заболеваний бронхолегочной системы на основе исследования особенностей распространения высокочастотного электромагнитного излучения при прохождении через грудную клетку пациента [1, 2, 3]. Эта методика является достаточно перспективной, т.к. позволяет неинвазивно, безболезненно и информативно оценить состояние бронхов и легких человека любого возраста. Однако, колоссальная сложность анатомического строения грудной клетки и недостаточное количество данных об особенностях распространения электромагнитных волн при прохождении через внутренние органы диктует необходимость создания ее фантома-модели для проведения экспериментальных исследований.
В 1995 году опубликована статья [4], в которой модель грудной клетки состояла из трахеи, кольцевого слоя парен-
химы легкого, кольцевых мышечно-реберного и внешнего мышечно-жирового слоев. Однако, в данной работе, как и в статье [5] акцент сделан на моделирование акустических свойств грудной клетки. В 2001 году появилась работа [6], в которой сделана попытка определить координаты источника сигнала внутри грудной клетки по регистрируемым на ее поверхности сигналам. Были разработаны специальная многоэлементная акустическая (фазированная) антенная решетка из Q-микрофонов и компьютерный алгоритм для обработки получаемых с них сигналов. Тестовые эксперименты при Q=16 проводились на простейшем макете грудной клетки, состоящем из трех элементов - "трахеи" в виде резиновой трубки и "паренхимы" в виде цилиндра из вспененного желатина, охваченного тонким слоем обычного желатина, на котором располагались микрофоны. После тестирования, по аналогичной методике проводились эксперименты на реальных пациентах, имеющих проблемы с легкими. В работе [7] также предложена модель фантома грудной для апробации неинвазивного микроволнового сенсора. Авторы обсуждаемой публикации утверждают, что разработанная методика оправдала их ожидания и ее можно использовать для диагностики заболеваний легких. Несмотря на результаты проведенных ранее исследований, задача созда-
Подкожно-жировая клетчатка ~
ния адекватных физических моделей и фантомов биологических тканей, воспроизводящих физические параметры и структурные свойства биотканей, актуальна для разных направлений медико-биологических исследований.
Фантомы разрабатываются для решения различный фундаментальных и прикладных задач. В исследовательских целях часто необходимо разработать малозатратные по времени и ресурсам фантомы различной конфигурации и различных свойств. Особенно актуальна задача создания фантомов грудной клетки, предназначенных для апробации современных методов и приборов диагностики изменений в бронхолегочной системе, основанных на распространении высокочастотного электромагнитного излучения при прохождении через грудную клетку пациента.
Целью нашего исследования явилась разработка физически адекватной модели-фантома грудной клетки человека для моделирования особенностей распространения электромагнитных волн в широком диапазоне частот при наличии патологических изменений бронхолёгочной системы.
Материалы и методы. Модель участка грудной клетки может быть представлена в виде структуры, содержащей несколько слоёв, электрофизические параметры которых соответствуют тканям человеческого тела (рис.1).
Г Кожа
_Костно-мышечный каркас
Легочная паренхима
Подкожно-жировая клетчатка
Костно-мышечный каркас Кожа
Рис.1. Модель участка грудной клетки человека
Очевидно, что для разработки физически адекватной модели грудной клетки человека, геометрические размеры каждого слоя должны соответствовать морфометрическим и анатомическим особенностям строения тела человека. Поэтому для определения толщины каждого слоя было проведено СКТ-исследование органов грудной клетки 195 детей в возрасте от 4 месяцев до 18 лет I и 11а групп здоровья [8].
Независимо от метода, основанного на исследовании особенностей распространения высокочастотного электромагнитного излучения в тканях человеческого тела и используемого для диагностики изменений в бронхолегоч-ной системе, одной из основных функциональных частей реализующего его устройства является антенна-аппликатор. Очевидно, что физически адекватная модель грудной клетки помимо прочего должна обеспечивать функционирование антенны-аппликатора в режиме близком к реальному.
Для разработки экспериментального макета фантома участка грудной клетки использованы материалы, обладающие электрофизическими параметрами близкими к тканям тела человека: для имитации легочной паренхимы использована поролоновая губка, пропитанная 0,9 % раствором №С1.
В работе [7] для создания фантома кожи, подкожно-жировой клетчатки и костно-мышечного каркаса использован баллистический гель TX-151, однако по причине труднодоступ-ности он заменён на 30% раствор пищевого желатина, обладающего близкими механическими и электрофизическими характеристиками. Для проведения экспериментальных исследований использована антенна-аппликатор, топология которой приведена в работе [7], модернизированная для работы в широком диапазоне частот, наиболее пригодном для проведения исследования и обнаружения изменений в брон-холегочной системе [9].
Практические результаты. Были проведены электродинамическое моделирование в пакете CST STUDIO антенны-аппликатора совместно с разработанной моделью участка грудной клетки человека и экспериментальное исследование распространения СВЧ сигнала через макет фантома грудной клетки человека. На рис.2 приведена расчётная и экспериментальная частотные зависимости величины обратных потерь антенны-аппликатора в диапазоне частот от 600 МГц до 3000 МГц.
Рис.2. Зависимости величины обратных потерь антенны-аппликатора от частоты, полученные в результате моделирования (штриховая линия) и эксперимента: при контакте аппликатора с телом человека (пунктирная линия) и макетом фантома грудной клетки человека (сплошная линия)
Из рис.2. видно, что частотная зависимость величины обратных потерь антенны-аппликатора, приложенной к макету фантома участка грудной клетки близка к зависимостям, полученным в результате моделирования в пакете CST STUDIO и прикладывания антенны-аппликатора к поверхности грудной клетки тела человека, что указывает на
S21, дБ -40
-50 -60 -70 -80
500 1000 1500 2000 2500 ^ МГц
Рис.3. Частотная зависимость коэффициента прохождения СВЧ сигнала через модель участка грудной клетки человека, полученные в результате моделирования (штриховая линия) и эксперимента: при имитации легочной паренхимы сухой поролоновой губкой (пунктирная линия) и наличии пропитки 0,9 % раствором №С! (сплошная линия)
близость электрофизических характеристик разработанного фантома и электродинамической модели к соответствующим параметрам тела человека. На рис.3 представлены результаты моделирования и измерения коэффициента прохождения СВЧ сигнала через модель грудной клетки человека.
Из рис.3 видно удовлетворительное совпадение результатов моделирования и экспериментального измерения коэффициента прохождения высокочастотного сигнала через макет фантома грудной клетки человека в широком диапазоне частот: от 600 МГц вплоть до 2200 МГц. Необходимо отметить, что полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами обследования пациентов [10]. Необходимо также отметить расхождение между двумя экспериментальными кривыми отличающихся тем, что в первом случае поролоновые губки, имитирующие легочную паренхиму, были сухими, в то время как во втором случае - пропитаны 0,9 % раствором №С1.
Из анализа полученных данных видно, что в диапазоне частот 1000 - 1500 МГц наблюдается существенное расхождение величины коэффициента прохождения СВЧ сигнала через макет фантома грудной клетки человека, которое достигает 14 дБ. При этом, необходимо отметить, что в указанном диапазоне частот при пропитывании поролоновой губки 0,9% раствором №С1 коэффициент прохождения СВЧ сигнала через макет фантома грудной клетки человека больше, чем при отсутствии пропитки. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами обследования группы пациентов с установленным диагнозом бронхиальной астмы и контрольной группы здоровых людей [10]. Показано, что различие в величине коэффициента прохождения СВЧ сигнала через грудную клетку больного бронхиальной астмой и здорового человека является следствием скопления в
воспаленных бронхах значительного количества мокроты, а не следствием сторонних факторов.
Заключение. Разработанную модель грудной клетки человека можно применять при проектировании как различных видов устройств для диагностики заболеваний брон-холегочной системы, аппликаторов и носимых антенн в широком диапазоне частот, используемых в различных приборах контроля состояния пациента. Данный фантом может быть использован для моделирования различных патологических состояний бронхолегочной системы человека, таких как бронхиальная астма, пневмония и др., и проверки методов их обнаружения и диагностики. Проведенные с использованием широкополосного СВЧ-аппликатора исследования по моделированию заболеваний бронхолегочной системы у детей показали высокую информативность применения данного фантома для экспериментальных работ и его физическую адекватность.
Источники финансирования и выражение признательности. Статья подготовлена по итогам исследования, проведенного в рамках научного проекта при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 16-38-00263 мол_а.
Список литературы
1. Magdy F. Iskander, Rajnish Maini, Carl H. Durney, David G. Bragg. A Microwave Method for Measuring Changes in Lung Water Content: Numerical Simulation // IEEE Transactions on
Biomedical Engineering. 1981. Vol. BME-28. No.12. pp. 797804.
2. S. Ahdi Rezaeieh, A. Zamani, K. S. Bialkowski, A. Mahmoud, A. M. Abbosh. Feasibility of Using Wideband Microwave System for Non-Invasive Detection and Monitoring of Pulmonary Oedema // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. pp. 1-11.
3. Семерник О.Е., Демьяненко А.В., Семерник И.В., Лебеденко А.А. Проектирование прибора для диагностики бронхиальной астмы у детей раннего возраста // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и достижения в медицине». Самара. Инновационный центр развития образования и науки. 2015. С. 136-138.
4. Вовк И. В., Гринченко В. Т., Олейник В. Н. Проблемы моделирования акустических свойств грудной клетки и измерения шумов дыхания // Акустический журнал. 1995. Том 41. № 5. С. 758-768.
5. Вовк И.В., Косовец Л.И., Мацыпура В.Т., Олийнык В.Н. Моделирование процесса распространения звука в грудной клетке человека. Часть 1. Теория // Акустический вестник. 2011. Том 14. №2. С. 16 - 25.
6. Kompis M., Pasterkamp H., Wodicka G. Acoustic imaging
of the human chest // Chest. 2001. 120. P. 1309-1321.
7. Nuri Celik, Ruthsenne Gagarin, James Baker, Hyoung-Sun Youn, Magdy F. Iskander. A Noninvasive Microwave Sensor and Signal Processing Technique for Continuous Monitoring of Vital Signs // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011. Vol. 10. pp. 286-289.
8. Лебеденко А.А., Семерник О.Е., Демьяненко А.В., Семерник И.В., Топалов Ф.С., Андреева А.О. Результаты МРТ-исследования послойного строения грудной клетки у детей // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 2 (58). С. 845-848.
9. Семерник О.Е., Демьяненко А.В., Семерник И.В., Лебеденко А.А. Определение рабочей частоты прибора для диагностики бронхиальной астмы у детей // Материалы V международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки сегодня». North Charleston. SC, USA. 2015. С. 47-49.
10. Семерник О.Е., Лебеденко А.А., Семерник И.В., Демьяненко А.В. Радиочастотное сканирование грудной клетки как метод диагностики бронхиальной астмы у детей // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. т. 58. № 8/2. С. 328-330.
Сова С.Г.
Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев доцент кафедры гигиены труди и профзаболеваний, к.мед.н.
ВОЗМОЖНОСТИ СОСУДИСТОЙ НЕЙРОМЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ В ПРОФИЛАКТИКЕ АРТЕРИАЛЬНОЙ ГИПЕРТЕНЗИИ
POSSIBILITY OF VASCULAR NEUROMETABOLIC THERAPY IN THE PREVENTION OF ARTERIAL HYPERTENSION
Sova S., Bogomolets national medical university named after O. Bogomolets, Kyiv, Ukraine, Department of Occupational Health and Occupational Diseases, Associated professor, phd
АННОТАЦИЯ
В статье изучалось влияние сосудистого нейрометаболического препарата винпоцетина на течение артериальной гипертензии у рабочих виброшумоопасных профессий. Показано, что включение винпоцетина в схему лечения на 30,4% (р<0,02) снижает частоту возникновения тяжёлых гипертонических кризов и профилактирует развитие их тяжёлых осложнений. У лиц, получавших винпоцетин, отмечено улучшение диастолической функции сердца, что проявлялось достоверным снижением ехокардиографического показателя Е/А с 133,4±4,1 мс до 123,1±4,1 мс (р<0,05). Нормализация когнитивных функций больных характеризовалась постепенным увеличением баллов по шкале MMSE, среднее значение которых к пятому месяцу наблюдения составило 26,4±0,6 в основной группе и 24,9±0,7 баллов в контрольной (р<0,05).
ABSTRACT
The paper studied the effect ofvinpocetine on the course of arterial hypertension in workers who have occupational contact with industrial vibration and noise. It is shown that the inclusion of vinpocetine in the treatment regimen by 30.4% (p<0.02) reduced the incidence of severe hypertensive crises and prevent development of serious complications. In subjects treated with vinpocetine, marked improvement in diastolic heart function, which manifested a significant reduction of ultrasound index E/A with 133,4 ± 4,1 ms to 123,1 ± 4,1 ms (p <0.05). Normalization of cognitive functions characterized by a gradual increase in scores on the MMSE scale.
Ключевые слова: гипертензия, гипертонический криз, винпоцетин, вибрация, шум, диастолическая дисфункция, когнитивные нарушения.
Keywords:arterial hypertension, hypertensive crisis, vinpocetine, vibration, noise, diastolic heart disfunction, cognitive impairment.
Артериальная гипертензия (АГ) и её осложнения продолжают занимать лидирующие позиции в структуре инвалидности и смертности населения планеты [1, 6, 9, 11]. Несмотря на значительные успехи последних лет в борьбе с этой «болезнью цивилизации», она по-прежнему остаётся самой актуальных проблемой практической медицины ввиду широкой распространенности и угрозы развития виталь-
ных осложнений со стороны органов-мишеней. Влияние АГ на развитие и течение острых (транзиторная ишемическая атака, острая гипертоническая энцефалопатия, инсульт) и хронических (болезнь Биствангера, хроническая гипертоническая энцефалопатия, атеросклероз сосудов головного мозга) сосудистых заболеваний центральной нервной системы (ЦНС), а также сердца и почек определяет дальнейший про-
