Біомеханічні властивості сечоводу людини (анатомо-експериментальне дослідження)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ

КРИМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. С.І. ГЕОРГІЄВСЬКОГО

УДК 611.617+612.76].001.6

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук

Біомеханічні властивості сечоводу людини (анатомо-експериментальне дослідження)

14.03.01 - нормальна анатомія

Федоришин Родіон Петрович

Сімферополь - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному медичному університеті ім. М. Горького МОЗ України.

Науковий керівник: доктор медичних наук, професор Зенін Олег Костянтинович, Донецький державний інститут здоров'я, фізичного виховання і спорту МОН України.

Офіційні опоненти:

доктор медичних наук, професор Лазарев Костянтин Леонідович, Кримський державний медичний університет ім. С.І. Георгієвського МОЗ України, завідувач кафедри медичної біології, паразитології та генетики;

доктор медичних наук, професор Ахтемійчук Юрій Танасович, Буковинський державний медичний університет МОЗ України, завідувач кафедри анатомії, топографічної анатомії та оперативної хірургії.

Захист дисертації відбудеться 2009 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 52.600.02 при Кримському державному медичному університеті ім. С.І. Георгієвського МОЗ України (95006, Україна, АР Крим, м. Сімферополь, бул. Леніна, 5/7).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кримського державного медичного університету ім. С.І. Георгієвського МОЗ України (95006, Україна, АР Крим, м. Сімферополь, бул. Леніна, 5/7).

Автореферат розісланий 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г.О. Мороз.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Традиційно методами вибору у лікуванні каменів, пухлин, сторонніх тіл сечовода є ендоскопічні втручання, спрямовані на відновлення анатомічної і функціональної цілісності верхніх сечовивідних шляхів. Кількість цих операцій з кожним роком збільшується (О.Ф. Возіанов, 2001; В.М. Мирошников, 2004). Однак, їх виконання у ряді випадків буває утруднено через переважання діаметра ендоскопа, який уводиться, над діаметром просвіту сечовода, або звуження сечовода, викликане стриктурою, набряком тканин та ін. Для вирішення даної проблеми запропоновано безліч інструментальних методів, починаючи з бужування сечовода і закінчуючи його розсіченням (А.Г. Мартов, 2000; Л.Г. Манагадзе, 2003). Останніми двома десятиріччями в ендоурологічній практиці для попереднього розширення просвіту сечовода перед проведенням ендоманіпуляцій на ньому досить успішно використовується балонна дилатація сечовода (БДС) (О.Ф. Возіанов, 2001). Очікуваний ефект БДС полягає у відновленні просвіту сечовода, достатнього для безперешкодного проведення ендоскопічних інструментів і наступного виконання ендоурологічного оперативного втручання.

Незважаючи на малоінвазивність і простоту виконання, метод БДС має потребу в удосконаленні. Пов'язано це з такими негативними моментами: з одного боку, при невеликому розширенні отриманий просвіт виявляється недостатнім для проведення уретероскопа; з іншого боку, занадто велике розтягнення стінки сечовода може призвести до її ушкодження і в подальшому - утворення на цьому місці стриктур (W.C. Collyer , 2001). Описана ситуація пояснюється відсутністю необхідних даних про кількісну анатомію та біомеханічні властивості сечовода (Ю.Т. Ахтемiйчук, 2005; K.L. Lazarev, 2007). Це унеможливлює прогнозування змін сечовода в процесі розширення і багато в чому робить проблематичним успіх балонної дилатації.

Вищевикладене визначає необхідність вивчення кількісних анатомічних і біомеханічних параметрів сечовода людини, необхідних для удосконалення процедури балонної дилатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Донецького національного медичного університету ім. М. Горького МОЗ України і є фрагментом НДР кафедри анатомії людини на тему: "Анатомо-експериментальне дослідження біомеханічних властивостей сечовода", № державної реєстрації 0103U000447, шифр УН.03.01.33. Автор був співвиконавцем НДР, виконував фрагмент, присвячений вивченню кількісної анатомії і біомеханічних властивостей сечовода. Тема дисертації затверджена на засіданні Координаційної ради Донецького національного медичного університету ім. М. Горького 30 жовтня 2008 року (протокол №7) і проблемною комісією МОЗ і АМН України "Морфологія людини" 10 березня 2006 р. (протокол №72).

Мета дослідження: установити кількісні анатомічні і біомеханічні параметри сечовода людини, необхідні для удосконалення процедури БДС і створення моделі пристрою, що імітує її проведення in vitro.

Задачі дослідження:

1. Вивчити кількісну анатомію сечовода людини.

2. Удосконалити методику, створити експериментальний пристрій і вивчити кількісні показники біомеханічних властивостей сечовода людини.

3. Створити математичну модель (ММ), що імітує процедуру БДС, на підставі даних про кількісну анатомію і біомеханічні властивості сечовода.

4. Створити діючу модель апаратно-програмного комплексу (АПК) для проведення керованої, автоматизованої БДС в експерименті - “Visual-2”.

Об'єкт дослідження - кількісна анатомія і біомеханічні властивості сечовода людини.

Предмет дослідження - процес дилатації сечовода з об'єктивним контролем деформації і руйнування його стінки in vitro.

Методи дослідження: морфометричні - дослідження кількісних характеристик (довжина, діаметр, товщина стінки, обсяг тканини) інтактних і дилатованих сегментів сечовода; біомеханічні досліди - дилатація досліджуваних сегментів сечовода за допомогою балона-катетера до моменту виникнення розриву його стінки з одночасною реєстрацією сигналів акустичної емісії (АЕ), що виходять з деформованої ділянки; математичні - розрахунок величин показників біомеханічних властивостей сечовода: відносної деформації, модуля об'ємної пружності, тангенціальної напруги стінки сечовода; статистичні - для аналізу результатів дослідження; математичне моделювання і комп'ютерне програмування - для створення ММ БДС і програмного забезпечення АПК “Visual - 2”.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше отримані дані про кількісну анатомію сечовода людини в різних віково-статевих групах. Удосконалено методику для вивчення біомеханічних властивостей сечовода людини. Вивчено біомеханічні властивості сечовода людини.

Створена ММ, яка імітує процедуру БДС, що базується на встановлених у ході дослідження параметрах його біомеханічних властивостей і кількісної анатомії. Теоретично розроблена технологія проведення керованої автоматизованої БДС. Створено діючу модель АПК “Visual-2”, що дозволяє проводити БДС в автоматизованому режимі при об'єктивному контролі процесу дилатації просвіту сечовода.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені в ході дослідження кількісні параметри біомеханічних властивостей і анатомії сечовода, їх зв'язок зі статтю, віковою групою, рівнем розташування, лівою або правою стороною; кореляційні і регресійні зв'язки можуть використовуватися як індивідуальна об'єктивна кількісна характеристика нормальної будови інтактного і дилатованого сечовода. Розроблені методика і пристрій можуть бути використані для подальшого вивчення біомеханічних властивостей сечовода й інших порожнистих органів людини. Створена ММ може бути використана для проведення віртуального експерименту з метою прогнозування поведінки сечовода в процесі дилатації. Розроблена технологія проведення керованої автоматизованої БДС і прогнозування поведінки сечовода в процесі дилатації, після клінічних досліджень і доробки може використовуватися в практичній медицині, що буде сприяти прогнозуванню наслідків дилатації внутрішнього просвіту сечовода і зниженню імовірності операційних і післяопераційних ускладнень. Розроблена діюча модель АПК "Visual-2", яка дозволяє проводити БДС в автоматизованому режимі при об'єктивному контролі над процесом дилатації внутрішнього просвіту сечовода, після клінічних випробувань і доробки може бути використана в урологічній практиці, що буде сприяти зниженню імовірності операційних і післяопераційних ускладнень.

Результати досліджень впроваджені в роботу Донецького національного медичного університету ім. М. Горького (кафедра анатомії людини); Луганського державного медичного університету (кафедри анатомії людини, оперативної хірургії і топографічної анатомії); Буковинського державного медичного університету (кафедра анатомії людини); Кримського державного медичного університету ім. С.І. Георгієвського (кафедра нормальної анатомії); Харківського національного медичного університету (кафедра анатомії людини); Донецького державного інституту здоров'я, фізичного виховання і спорту (кафедра біомеханіки і спортивної метрології); урологічного відділення центральної міської лікарні № 1 м. Донецька; відділу рентген-ударнохвильового дистанційного дроблення каменів та ендоурології діагностичної служби Донецького обласного клінічного територіального медичного об'єднання; урологічного відділення Університетської клініки Донецького національного медичного університету ім. М. Горького.

Особистий внесок здобувача. Автором проведені інформаційний пошук та аналіз літературних джерел, самостійно зібраний та оброблений фактичний матеріал, проведено статистичне дослідження й аналіз отриманих даних. Інтерпретація отриманих результатів, основні положення і висновки належать авторові. Ідеї опублікованих робіт у співавторстві належать здобувачу. Співавтори опублікованих робіт надавали консультативну допомогу в окремих методичних і теоретичних питаннях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-практичних конференціях: „Abreitsagung der Anatomishen Gesellschaft in Wurzburg” (Лейпциг, 2004); „Актуальные вопросы хирургии и клинической анатомии” (Пермь, 2004); „Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft” (Лейпциг, 2005); „Від фундаментальних досліджень - до прогресу в медицині” (Харків, 2005); „Питання експериментальної та клінічної медицини” (Донецьк, 2005); на IV національному конгресі анатомів, гістологів, ембріологів і топографоанатомів України (Сімферополь -Алушта, 2006); „Сучасні проблеми морфології” (Полтава, 2006); „Прикладні аспекти морфології експериментальних і клінічних досліджень” (Тернопіль, 2008); „VIII International Symposium of Clinical Anatomy” (Варна, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 наукових робіт, у тому числі 6 статей у наукових фахових виданнях, 12 - у матеріалах і тезах конференцій. Отримано 1 деклараційний патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 182 сторінках комп'ютерного тексту, складається із вступу, 7 розділів (у тому числі огляду літератури, матеріалів і методів дослідження, 4 розділів власних досліджень, аналізу та узагальнення результатів дослідження), висновків, практичних рекомендацій, списку використаних джерел, що містить 263 найменування (186 кирилицею і 77 латиницею). Робота ілюстрована 22 таблицями на 7 сторінках та 77 рисунками на 30 сторінках.

Основний зміст роботи

Матеріали і методи дослідження. Досліджено 320 сегментів сечоводів (СС), отриманих під час аутопсії в людей (40 чоловіків і 40 жінок), що померли від патології, яка не пов'язана із захворюванням органів сечостатевої системи (асфіксія, травми, гостра серцево-судинна недостатність). Вік померлих становив 21-74 роки (2 вікові групи: 1-го періоду зрілого віку - у чоловіків 22-35 років, у жінок - 21-35 років; літнього віку - у чоловіків 61-74 роки і 56-74 роки в жінок). Забір матеріалу проводився в бюро судово-медичної експертизи УОЗ Донецької обласної Державної адміністрації не пізніше 12 годин з моменту настання смерті. Експерименти проводили в день узяття сечоводів, не пізніше 2 годин після аутопсії. У дослідження були включені по одному сегменту правого і лівого сечовода, черевного та тазового відділів.

Комісія з біомедичної етики Донецького національного медичного університету ім. М. Горького (протокол № 4 від 23.04.2008 р.), розглянувши матеріали дисертації, встановила, що дослідження виконані відповідно до основних положень GCP (1996), Конвенції ради Європи про права людини і біомедицину (від 04.04.1997 р.), Хельсінкської декларації Всесвітньої медичної асоціації про етичні принципи проведення наукових медичних досліджень за участю людини (1964-2000) і наказу МОЗ України № 281 від 01.11.2000 р. сечовод анатомія дилатація

Для математичного планування оптимального обсягу вибірки керувалися рекомендаціями Ю.Є. Ляха (2006).

Морфометрія СС людини містила в собі вимірювання діаметра внутрішнього просвіту (D) і товщини стінки (H). Для цього використовували штангенциркуль (ДСТ 166-89) і мікрометр (ДСТ 6465-63) МК-63. Інструментальна похибка вимірювань не перевищувала 1%. Для вивчення біомеханічних властивостей СС застосовували методику впливу на його стінку внутрішнім тиском, тому що за технічним виконанням ця методика подібна до найбільш розповсюдженої ендоурологічної маніпуляції - БДС. Практично застосовували відомий пристрій і спосіб (О.К. Зенин, 2001), а також авторські удосконалення (Р.П. Федоришин, 2006). Методика включала такі основні моменти: дилатацію досліджуваного СС введеним у його просвіт балоном-дилататором до моменту виникнення розриву стінки; реєстрацію сигналів АЕ, що виходять з деформованої ділянки; реєстрацію показників тиску й обсягу введеної в порожнину СС рідини; дослідження характеру ушкодження стінки (вид розриву, його довжина, глибина). Визначали величини: відносної деформації (відн. од.) стінки сечовода Д = (V - V_о)/V_о; модуля об'ємної пружності (кПа) (Р. Фейнман, 2004) E=3V(P-Ро)/(V-V_о); тангенціальної напруги (з рівняння для товстостінного циліндра (Р. Фейнман, 2004) у=PV_о(V+V_w+V_о)/V_w (кПа), де: P - тиск усередині порожнини СС (кПа); V - обсяг нестискуваної рідини (м³), що ввійшла в порожнину СС; V_w - об?єм тканини СС (м³) (Б.А. Пуриня, 1980); V_о - початковий об?єм порожнини СС (м³), Р_о -початковий тиск усередині порожнини СС (кПа).

Статистична обробка включала обчислення основних елементів описової статистики. Характер розподілу випадкових величин оцінювався візуально на гістограмах, а також з використанням статистичних критеріїв. Якщо розподіл величин досліджуваних показників не відрізнявся від нормального закону, використовували параметричні статистичні методи. У тому разі, якщо розподіл величин відрізнявся від нормального закону, використовували непараметричні методи. Для оцінки ступеня адекватності регресійних моделей проводили аналіз залишків на відповідність до нормального закону. Використовували ліцензійні пакети прикладних статистичних програм - STATISTICA 5.11, Microsoft EXEL 6.0 і MedStat.

Результати дослідження та їх аналіз. Відповідно до 1-ої задачі дослідження була проведена морфометрія сечоводів (табл. 1 і 2).

Встановлено, що середні значення товщини стінки і внутрішнього діаметра сечовода у чоловіків та жінок не мають вірогідних відмінностей. Праві і ліві сечоводи за основними морфометричними показниками не відрізняються один від другого. Визначено, що в осіб літнього віку величина H менша, ніж в осіб 1-го періоду зрілого віку, а значення D в осіб різних вікових груп не мають вірогідних відмінностей. Той факт, що величина D з віком не змінюється, має важливе практичне значення, тому що при використанні ендоурологічного інструментарію немає необхідності робити поправку на вік пацієнта для вибору інструментів різного діаметра. Однак, в осіб літнього віку ступінь інструментального впливу на стінку сечовода варто зменшувати, тому що з віком товщина стінки сечовода зменшується і росте ризик її пошкодження. Виявлено, що величина D більша у верхніх, ніж у нижніх відділах сечовода. У той час, як значення H, навпаки, більше у тазовому відділі. Ці особливості не пов'язані зі статтю і віковою групою. Подібні закономірності зберігаються для правого і лівого сечоводів. Це зумовлено особливостями будови стінки сечовода у черевному та тазовому відділах (Ю.И. Афанасьев, 2002). М'язова оболонка верхніх відділів сечовода людини складається з двох, а нижніх - із трьох шарів гладком'язових клітин (Ю.И. Афанасьев, 2002).

Таблиця 1 Значення морфометричних показників сечовода людини (n=320)

Морфометричний показник	Стать	Вікова група
	чоловік	жінка	р	зрілий	літній	р
Товщина стінки (H) (Ч10-5м) (М±m)	34,25±1,02	34,64±0,80	р>0,05	36,60±0,67	32,30±0,80	р<0,01
Діаметр (D) (Ч10-3м) (М±m)	3,63±0,10	3,62±0,15	р>0,05	3,69±0,15	3,56±0,11	р>0,05

Таблиця 2 Значення морфометричних показників сечовода людини (n=320)

Морфометричний показник	Рівень	Сторона
	черевний відділ	тазовий відділ	р	правий	лівий	р
Товщина (H) стінки (Ч10-5м) (М±m)	31,40±0,83	37,50±0,64	р<0,01	34,25±0,69	34,66±0,53	р>0,05
Діаметр (D) (Ч10-3м) (М±m)	3,94±0,15	3,30±0,11	р<0,01	3,70±0,12	3,57±0,14	р>0,05

Відповідно до 2-ї задачі дослідження, була удосконалена методика, створений експериментальний пристрій і проведені біомеханічні випробування сечовода людини (табл. 3-6).

В усіх випадках були зафіксовані сигнали АЕ, що виходять з місць дилатації сечовода. При візуальному огляді СС із появою перших сигналів АЕ (тобто коли амплітуда сигналу у 2 рази перевищувала величину акустичного шуму) видимих порушень цілісності його стінки не виявлено. Через (М±m) 2,24±0,21 секунди після реєстрації перших сигналів АЕ зафіксовані поодинокі повні поздовжні розриви стінки сечовода із середньою довжиною дефекту (М±m) 14,5±0,87Ч10^-3 м. Довжина розривів не пов'язана зі статтю, віковою групою, рівнем і стороною розташування СС (р>0,05).

Таблиця 3 Значення показників біомеханічних властивостей сечовода людини в момент появи перших сигналів АЕ (n=320)

Біомеханічний показник	Стать	Вікова група
	чоловік	жінка	р	зрілий	літній	р
Д (відн.од.) (М±m)	9,87±0,32	9,79±0,38	р>0,05	8,40±0,31	11,30±0,42	р<0,01
Е (кПа) (М±m)	84,7±4,05	100,1±3,85	р<0,05	85,5±3,80	98,1±4,11	р<0,05
у (кПа) (М±m)	467±23,60	532±21,60	р<0,05	465±22,03	534±23,01	р<0,05

Таблиця 4 Значення показників біомеханічних властивостей сечовода людини в момент появи перших сигналів АЕ (n=320)

Біомеханічний показник	Рівень	Сторона
	черевний відділ	тазовий відділ	р	правий	лівий	р
Д (відн.од.) (М±m)	9,03±0,40	10,60±0,31	р<0,01	9,84±0,40	9,82±0,30	р>0,05
Е (кПа) (М±m)	86,4±4,80	98,5±3,10	р<0,05	91,3±3,70	93,6±4,20	р>0,05
у (кПа) (М±m)	488±23,01	511±22,51	р>0,05	498±22,30	501±23,05	р>0,05

Таблиця 5 Значення показників біомеханічних властивостей сечовода людини в момент розриву його стінки (n=320)

Біомеханічний показник	Стать	Вікова група
	чоловік	жінка	р	зрілий	літній	р
Д (відн.од.) (М±m)	11,82±0,70	11,68±0,50	р>0,05	10,04±0,61	13,50±0,6	р?0,01
Е (кПа) (М±m)	119,2±3,80	118,9±4,40	р>0,05	110,9±4,10	127,2±4,0	р?0,05
у (кПа) (М±m)	745±31,60	831±27,80	р?0,05	745±32,07	832±28,1	р?0,05

Таблиця 6 Значення показників біомеханічних властивостей сечовода людини в момент розриву його стінки (n=320)

Біомеханічний показник	Рівень	Сторона
	черевний відділ	тазовий відділ	р	правий	лівий	р
Д (відн.од.) (М±m)	10,71±0,51	12,80±0,61	р?0,05	12,10±0,51	11,42±0,62	р>0,05
Е (кПа) (М±m)	110,2±4,40	128,0±3,81	р?0,01	119,1±4,01	119,0±4,21	р>0,05
у (кПа) (М±m)	742±32,03	835±27,50	р?0,05	793±28,06	795±31,40	р>0,05

Примітка. Д - відносна деформація; Е - модуль об'ємної пружності; у - тангенціальна напруга.

Величина Д СС у момент виникнення перших сигналів АЕ та в момент розриву не пов'язана зі статтю. Значення Е в момент виникнення перших сигналів АЕ в жінок вірогідно більше, ніж у чоловіків, тоді як величина цього показника в момент розриву не пов'язана зі статтю. Значення у у момент виникнення перших сигналів АЕ та в момент розриву більше у жінок, ніж у чоловіків. Виявлена особливість дозволяє в клінічних умовах при проведенні ендоурологічних втручань на сечоводі у жінок використовувати більше навантаження, ніж у чоловіків. Величини досліджуваних показників біомеханічних властивостей правого і лівого сечоводів у момент виникнення перших сигналів АЕ та в момент розриву стінки вірогідно не відрізняються одна від іншої. Враховуючи дані факти, при виконанні ендоскопічних втручань на сечоводі немає необхідності коректувати обсяг виконуваного оперативного втручання залежно від боку розташування. В осіб літнього віку значення показників біомеханічних властивостей більше, ніж в осіб 1-го періоду зрілого віку. Тому при виконанні ендоурологічних втручань на сечоводі в осіб 1-го періоду зрілого віку існує більший ризик пошкодження його стінки, ніж в осіб літнього віку. Значення показників Д і Е більше у тазовому відділі, ніж у черевному відділі сечовода. Величина у у тазовому відділі в момент виникнення розриву більша, ніж у черевному. У той же час, величина у у момент виникнення перших сигналів АЕ не пов'язана з рівнем розташування. У чоловіків і жінок літнього віку величини Д і Е в момент виникнення перших сигналів АЕ, а також у момент виникнення розриву більші, ніж у чоловіків і в жінок 1-го періоду зрілого віку. В осіб літнього віку значення у у момент виникнення перших сигналів АЕ більше, ніж в осіб 1-го періоду зрілого віку. Величина у сечовода в момент виникнення перших сигналів АЕ не відрізняється у тазовому та черевному відділах. В осіб літнього віку величина у у момент розриву вірогідно більша, ніж в осіб 1-го періоду зрілого віку. Незалежно від віку, величина у у момент розриву більша у тазовому, ніж у черевному відділі сечовода. Це можна пояснити більшою кількістю шарів стінки сечовода у тазовому, ніж у черевному відділі (Ю.И. Афанасьев, 2002). Даний факт широко відомий у відношенні технічних об'єктів - труб, сфер та ін. (В.Г. Гришко, 1989; Р. Фейнман, 2004). І у чоловіків, і у жінок значення Д і Е в момент виникнення перших сигналів АЕ та в момент розриву не пов'язані зі стороню розташування (правий або лівий). Величини Д правого і лівого сечоводів у момент виникнення перших сигналів АЕ більші у тазовому, ніж у черевному відділі. Значення у у момент перших сигналів АЕ не пов'язане з боком і рівнем розташування СС. Значення у правого і лівого сечоводів у момент розриву більше у тазовому, ніж у черевному відділі.

Між значеннями біомеханічних показників у момент появи перших сигналів АЕ і розриву сечовода, а також вихідною величиною його внутрішнього діаметра встановлені помірні і сильні, прямо і зворотно пропорційні кореляційні зв'язки. Для деяких з них отримані рівняння регресії, які описують характер цих зв'язків. Отримані рівняння з 92-97% імовірністю дозволяють розрахувати критичні значення у і Д у ході БДС ще до моменту повного розриву стінки сечовода.

Відповідно до 3-ї задачі дослідження, на підставі отриманих даних, створена ММ БДС людини і комп'ютерна програма Dilatator.exe. Сегмент сечовода у недеформованому стані представляли у вигляді каркаса точок, який мав вигляд відрізка трубки з розмірами: L - довжина, R₁ - внутрішній радіус, R₂ - зовнішній радіус, і балончика, що знаходиться усередині цієї трубки, з довжиною - l. У початковому стані цей каркас складається з точок, кожна з яких визначається трьома параметрами , , у системі координат X, Y, Z. Положення кожної точки визначали радіусом-вектором - r і ц - кутом повороту радіуса-вектора. У процесі деформації кожна точка починала рухатися і її рух описувався згідно з 2-м законом Ньютона (F=ma, де ? рівнодіюча сила, ? маса точки, ? прискорення). являло собою суму усіх сил, що діють на точку. Для неграничних точок ця сума складалася із сили пружності ⁽¹⁾F, сили тертя в'язкості ⁽²⁾F, а також сили, з якою впливав балончик ⁽³⁾F. Для кожної точки сечовода одержували таку систему диференціальних рівнянь:

Для вирахування напруги в точках i, j, k, ділили силу з формули на площу елемента поверхні, що відповідає одній точці каркаса. Для вирахування значення тангенціальної напруги в момент розриву - , використовували рівняння:

.

Для вирахування діаметра сечовода використовували рівняння:

,

Отримані рівняння лягли в основу ММ БДС, що дозволяло розраховувати параметри обсягу і тиску в балоні-дилататорі в момент виникнення перших сигналів АЕ і розриву СС. На базі ММ була створена комп'ютерна програма Dilatator.exe. У програму вводилися такі параметри і величини: стать; рівень (тазовий або черевний відділ); вік пацієнта; внутрішній діаметр (визначає внутрішній радіус R₁=d_1/2); довжина балончика L (була фіксованою - 20, 40 або 60 мм). На підставі величини внутрішнього діаметра і рівня сечовода автоматично обчислювався зовнішній діаметр; після цього обчислювався зовнішній радіус R₂=d₂/2. Далі розраховувалася тангенціальна напруга, тиск і величина внутрішнього діаметра СС у момент розриву сечовода та у момент появи перших сигналів АЕ.

Відповідно до 4-ї задачі дослідження, створена діюча модель АПК "Visual-2" (рис. 1). Як програмне забезпечення використовувалися деякі елементи комп'ютерної програми "Dilatator.exe". Електронно-механічна частина АПК складалася з двигуна - 8, котрий приводить у рух поршень шприца-насоса - 6, мікрофона - 2, за допомогою якого знімалися сигнали АЕ, що виходять з місця проведення операції, у даному разі СС - 1, електронний підсилювач - 3 та аналого-цифровий перетворювач - 4. Усі ці пристрої були підключені до персонального комп'ютера - 7, котрий працював під керуванням операційної системи Windows 9X/Windows NT. Для нормальної роботи АПК було потрібно мінімум 16MB оперативної пам'яті, процесор зі швидкодією не гірше Intel 486 DX. Для керування двигуном насоса і зняття сигналів АЕ з мікрофона використовувалася спеціальна плата, яка вставляється в рознімання PCI шини ПК. Існувала можливість програмно задавати швидкість руху поршня насоса, а також частоту дискретизації для періодичного зняття сигналів АЕ.

Рис. 1. Схема АПК «Visual-2».

Методика проведення БДС in vitro включала такі етапи. Перед початком роботи резервуар 1 заповнювали фізіологічним розчином, який є середовищем для поширення сигналів АЕ. У порожнину досліджуваного СС вводили балон-дилататор (катетер Фогарті 7 Fr фірми Balton із зовнішнім діаметром балона в роздутому стані 14 мм) і поміщали його в резервуар 1. З'єднували балон з насосом 8, що створює усередині нього надлишковий тиск, шляхом подачі нестискуваної рідини. Включали прилади 2, 3, 4, 7 і насос 8. Керування передавалося АПК. Балон автоматично починав заповнюватися фізіологічним розчином. Пристрої 2 і 7 реєстрували появу сигналів АЕ. При реєстрації комп'ютером перших сигналів АЕ, хід поршня шприца вперед і розширення балончика автоматично миттєво припинявся та включався зворотний хід поршня, а тиск усередині балончика зменшувався. Таким чином можна уникнути виникнення розриву стінки сечовода. Використання в урологічній практиці АПК "Visual-2", після відповідних клінічних випробувань і доробок, дозволить знизити травматизацію стінки сечовода, уникнути деяких операційних і післяопераційних ускладнень і за рахунок цього підвищити ефективність БДС.

Висновки

У дисертації сформульоване теоретичне узагальнення і подане нове вирішення проблеми визначення кількісних анатомічних і біомеханічних параметрів сечовода людини, необхідних для удосконалення процедури його балонної дилатації і створення моделі пристрою, що імітує її проведення in vitro.

1. Значення товщини стінки сечоводів у чоловіків (37,41±0,42Ч10^-5 м) і жінок (37,52±0,35Ч10^-5 м) у тазовому відділі сечовода статистично вірогідно більші (р<0,01), ніж у черевному відділі в чоловіків (31,08±0,36Ч10^-5 м) і в жінок (31,80±0,38Ч10^-5м), що не пов'язано з віковою групою та стороною розташування.

2. Величина внутрішнього діаметра черевного відділа сечовода в чоловіків (3,90±0,15Ч10^-3 м) і жінок (3,99±0,21Ч10^-3 м) вірогідно більша (р<0,05), ніж у тазовому відділі в чоловіків (3,37±0,18Ч10^-3 м) і в жінок (3,24±0,18Ч10^-3 м), і не пов'язана з віковою групою, статтю і стороною розташування.

3. Величини відносної деформації, модуля об'ємної пружності, тангенціальної напруги стінки сечовода, як у момент виникнення перших сигналів акустичної емісії, так і в момент розриву, вірогідно більші в осіб літнього віку, ніж в осіб 1-го періоду зрілого віку і не пов'язані з рівнем і стороною розташування. Величини відносної деформації і модуля об'ємної пружності стінки сечовода у момент виникнення перших сигналів акустичної емісії, та тангенціальної напруги в момент виникнення розриву, пов'язані з рівнем сечовода (у тазовому відділі сечовода вони вірогідно (р<0,05) більші, ніж у черевному відділі) і не пов'язані зі стороною розташування сечовода і віковою групою.

4. У жінок значення модуля об'ємної пружності (100,1±3,85 кПа) і тангенціальна напруга (532,3±21,60 кПа) стінки сечовода в момент появи перших сигналів акустичної емісії, а також величина тангенціальної напруги в момент розриву стінки сечовода (831,3±27,80 кПа) вірогідно (р<0,05) вища, ніж у чоловіків (84,7±4,05 кПа, 467,0±23,60 кПа і 745,2±31,60 кПа, відповідно).

5. Перші сигнали акустичної емісії при балонній дилатації сечовода завжди передують розриву стінки сечовода. Величини біомеханічних показників у момент появи перших сигналів акустичної емісії при балонній дилатації сечовода відрізняються від таких при розриві стінки сечовода.

6. Між значеннями біомеханічних показників, у момент появи перших сигналів акустичної емісії, а також розриву стінки сечовода, і початковою величиною внутрішнього діаметра сегмента сечовода існують сильні позитивні (відносна деформація і тангенціальна напруга) і негативні (модуль об'ємної пружності) кореляційні зв'язки. Встановлено середній за силою негативний кореляційний зв'язок між довжиною розриву сечовода і величиною відносної деформації, як у момент виникнення перших сигналів акустичної емісії, так і в момент його розриву.

7. Математична модель і реалізуюча її комп'ютерна програма Dilatator.exe дозволяють в умовах віртуального експерименту розрахувати морфометричні показники сегмента сечовода людини, що змінюються в процесі дилатації.

Практичні рекомендації

1. Встановлені кількісні параметри біомеханічних властивостей і анатомії сечовода людини є науковою основою для подальших анатомічних, експериментальних і клінічних досліджень, їх доцільно використовувати для поглиблення розуміння закономірностей будови і функціонування сечоводу.

2. Встановлені в ході дослідження кількісні параметри анатомії і біомеханічних властивостей сечовода, їх зв'язок зі статтю, віковою групою, рівнем розташування, лівою або правою стороною; кореляційні і регресійні зв'язки можуть використовуватися як індивідуальна об'єктивна кількісна характеристика нормальної будови інтактного і дилатованого сечовода.

3. Розроблена методика і пристрій для проведення балонної дилатації in vitro можуть бути використані для подальшого вивчення біомеханічних властивостей сечовода й інших порожнистих органів людини, наприклад, кровоносних та лімфатичних судин, маткових труб, відділів кишечника та ін.

4. Створена математична модель, яка імітує процедуру балонної дилатації сечовода, може бути використана для проведення віртуального експерименту з метою прогнозування поведінки сечовода в процесі дилатації.

5. Розроблена технологія проведення керованої автоматизованої балонної дилатації сечовода і прогнозування поведінки сечовода в процесі дилатації, після клінічних досліджень і доробки може використовуватися в практичній медицині, що буде сприяти прогнозуванню наслідків дилатації внутрішнього просвіту сечовода і зниженню імовірності операційних і післяопераційних ускладнень.

6. Розроблена модель апаратно-програмного комплексу "Visual-2", яка дозволяє проводити балонну дилатацію сечовода в автоматизованому режимі при об'єктивному контролі над процесом дилатації внутрішнього просвіту сечовода, після клінічних випробувань і доробки може бути використана в урологічній практиці, що буде сприяти зниженню імовірності операційних і післяопераційних ускладнень.

7. Фотографії сегментів сечоводу, відео ролики процесу балонної дилатації сечовода in vitro, а також цифрові бази даних, отримані в ході експерименту, можуть використовуватися в учбовому процесі на кафедрах відповідного профілю.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Количественная анатомия мочеточника / Р. П. Федоришин, О. К. Зенин, Е. В. Жданов, Д. Б. Резников // Вісник морфології. - 2003. - № 9. - С. 408-410. (Особисто здобувачем було виконано морфометричне дослідження, збір матеріалу, класифікація та статистична обробка одержаних результатів).

2. Исследование биомеханических свойств мочеточника / Р. П. Федоришин, О. К. Зенин, Е. В. Жданов, Ю. В. Рощин // Український медичний альманах. - 2004. - Т. 7, № 4. - С. 166-169. (Здобувачем було виконано анатомо-експериментальне дослідження, збір та обробку матеріалу, класифікацію одержаних даних, статистичну обробку одержаних результатів).

3. Федоришин Р. П. Регистрация сигналов акустической эмиссии - новый метод контроля над баллонной дилатацией мочеточника человека «in vitro» / Р. П. Федоришин // Вісник проблем біології і медицини. - 2006. - Вип. 2. - С. 422-425.

4. Федоришин Р. П. Исследование упругости мочеточника человека / Р. П. Федоришин // Таврический медико-биологический вестник. - 2006. - Т. 9, № 3. - С. 162-164.

5. Зенин О. К. Математическое моделирование процедуры баллонной дилатации мочеточника / О. К. Зенин, Р. П. Федоришин, А. В. Лашин // Буковинський медичний вісник. - 2007. - Т. 11, № 2. - С. 130-133. (Здобувачем було виконано обробку матеріалу, проведено аналіз найбільш розповсюджених математичних моделей в медицині, сформульовано висновки).

6. Новая математическая модель процедуры баллонной дилатации мочеточника / Р. П. Федоришин, А. В. Лашин, О. К. Зенин, О. Н. Никитин, Г. С. Кирьякулов // Таврический медико-биологический вестник. - 2008. - Т. 11, № 3. - С. 187 - 192. (Здобувачем було виконано обробку матеріалу, проведено аналіз одержаних результатів, сформульовано висновки).

7. Патент 15159 Україна, МПК А61В 8/08. Спосіб контролю дилатації сечоводу людини / Федоришин Р. П., Зенін О. К., Рощин Ю. В., Резніков Д. Б.; заявник та патентовласник Донецький національний медичний університет ім. М. Горького. - № 200512367 ; заявл. 22.12.2005 ; опубл. 15.06.2006, Бюл. № 6. (Дисертант самостійно провів анатомо-експериментальне обґрунтування доцільності корисної моделі та підготував матеріали до друку).

8. Баллонная дилатация мочеточника. Концепция управляемого разрыва / Р. П. Федоришин, О. К. Зенин, Ю. П. Серняк, Ю. В. Рощин // Питання експериментальної та клінічної медицини. - Донецьк, 2005. - С. 97-101. (Дисертант самостійно обґрунтував відповідний спосіб та підготував матеріали до друку).

9. Баллонная дилатация мочеточника «in vitro» / Р. П. Федоришин, О. К. Зенин, Ю. В. Рощин, Д. Б. Резников // Університетська клініка. - 2006. - Т. 2, № 1-2. - С. 110-113. (Дисертант самостійно обґрунтував відповідний спосіб та підготував матеріали до друку).

10. Федоришин Р. П. Исследование количественной анатомии мочеточника / Р. П. Федоришин // Актуальные вопросы хирургии и клинической анатомии: сборник научных трудов 10 научно-практической конференции в рамках Международной выставки "Медицина и здоровье-2004". - Пермь, 2004. - С. 295-297.

11.Quantitative anatomy of the ureter / R. P. Fedorishin, O. K. Zenin, E. V. Zdanov, Y. V. Roschin // Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft / Herausgegeben von Wolfgang Kuhnel. - 2004. - P. 254. (Особисто здобувачем було виконано морфометричне дослідження, збір матеріалу, класифікація та статистична обробка одержаних результатів).

12. Undersuchungen ьber biomechanische Harnleitereigenschaften / R. P. Fedorishin, O. K. Zenin, E. V. Zdanov, Y. V. Roschin // Abreitsagung der Anatomishen Gesellschaft in Wьrzburg. - 2004. - P. 23. (Здобувачем було виконано анатомо-експериментальне дослідження, збір та обробку матеріалу, класифікацію одержаних даних, статистичну обробку одержаних результатів).

13. Biomechanische Harnleitereigenschaften / R. P. Fedorishin, O. K. Zenin, E. V. Zdanov, D. B. Reznikov // Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft / Herausgegeben von Wolfgang Kuhnel. - 2004. - P. 255. (Здобувачем було виконано анатомо-експериментальне дослідження, збір та обробку матеріалу, класифікацію одержаних даних, статистичну обробку одержаних результатів).

14. Федоришин Р. П. Исследование биомеханических свойств мочеточника in vitro / Р. П. Федоришин // Від фундаментальниих досліджень - до прогресу в медицині: матеріали науково-практ. конф. з міжнар. участю, присв. 200-річчю з дня заснування Харківського державного медичного університету. - Харків, 2005. - С. 63.

15. Fedorishin R. Investigation of biomechanical properties of the uereter / R. Fedorischin, O. K. Zenin, E. V. Zhdanov, Y. V. Roschin // Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft / Herausgegeben von Wolfgang Kuhnel, 11-14 Marz, 2005. - Lubeck, 2005. - P. 100. (Дисертантом самостійно здійснено дослідження, статистичне оброблення та підготовку матеріалів до друку).

16. Федоришин Р. П. Новая математическая модель процедуры баллонной дилатации мочеточника / Р. П. Федоришин // Прикладні аспекти морфології експериментальних і клінічних досліджень: матеріали науково-практичної конференції. - Тернопіль, 2008. - С. 143-145.

17. Zenin O. Device for investigation of the biomechanical properties of human ureter / O. Zenin, R. Fedorishin, E. Kryucov // Scripta Scientifica Medica. - 2008. - Vol. 40, Suppl. 1. - P. 103. (Здобувачем було виконано анатомо-експериментальне дослідження, збір та обробку матеріалу, класифікацію одержаних даних, статистичну обробку одержаних результатів).

18. Zenin O. Morphometric features of the human ureter / O. Zenin, R. Fedorishin, E. Kryucov // Scripta Scientifica Medica. - 2008. - Vol. 40, Suppl. 1. - P. 103. (Особисто здобувачем було виконано морфометричне дослідження, збір матеріалу, класифікація та статистична обробка одержаних результатів).

19. The balloon dilatation of the ureter / D.Tomash, R.Fedorishin, O. Zenin, G. Kiryakulov // Scripta Scientifica Medica. - 2008. - Vol. 40, suppl. 1. - P. 95. (Дисертант самостійно обґрунтував відповідний спосіб та підготував матеріали до друку).

Анотація

Федоришин Р.П. Біомеханічні властивості сечоводу людини (анатомо-експериментальне дослідження). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.03.01 - нормальна анатомія. - Кримський державний медичний університет ім. С.І. Георгієвського МОЗ України. - Сімферополь, 2009.

Дисертація присвячена рішенню проблеми визначення кількісних анатомічних і біомеханічних параметрів сечоводу людини, необхідних для удосконалення процедури балонної дилатації сечоводу і створення моделі пристрою, що імітує її проведення in vitro. Здійснювали морфометрію інтактних та дилатованих сегментів сечоводу, їх біомеханічні дослідження. На підставі отриманих даних, визначали величини відносної деформації, модуля об'ємної пружності, тангенціальної напруги стінки сечоводу, провили подальший статистичний аналіз отриманих даних. Отримані величини використовували для математичного моделювання і комп'ютерного програмування процедури балонної дилатації сечоводу.

У результаті проведеної роботи, вперше були отримані дані про кількісну анатомію сечоводу людини в різних віково-статевих групах. Удосконаливши методику, вивчено біомеханічні властивості сечоводу людини. Створено математичну модель, котра імітує процедуру балонної дилатації сечоводу людини, що базується на встановлених у ході дослідження параметрах його біомеханічних властивостей і кількісної анатомії. Теоретично обгрунтована технологія проведення керованої автоматизованої балонної дилатації сечоводу людини. Створено діючу модель АПК “Visual-2”, дозволяючу проводити балонну дилатацію сечоводу в автоматизованому режимі при об'єктивному контролі над цим процесом.

Ключові слова: морфометрія, біомеханічні властивості, сечовід, балонна дилатація, математичне моделювання.

Аннотация

Федоришин Р.П. Биомеханические свойства мочеточника человека (анатомо-экспериментальное исследование). - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата медицинских наук по специальности 14.03.01 - нормальная анатомия. - Крымский государственный медицинский университет им. С.И. Георгиевского МЗ Украины. - Симферополь, 2009.

Диссертация посвящена решению проблемы определения количественных анатомических и биомеханических параметров мочеточника человека, необходимых для усовершенствования процедуры баллонной дилатации мочеточника и создания модели устройства, имитирующего ее проведение in vitro.

Исследована количественная анатомия и биомеханические свойства 320 сегментов мочеточников, полученных на аутопсии у людей (40 мужчин и 40 женщин), умерших от патологии, не связанной с заболеванием органов мочеполовой системы. Сегменты длиной 35 мм, иссекались в брюшном и тазовом отделе правого и левого мочеточников. В исследование были включены сегменты мочеточников людей двух возрастных групп: 1-го периода зрелого возраста и пожилого.

Осуществляли морфометрию интактных и дилатируемых сегментов мочеточника и их биомеханические испытания; на основании полученных данных определяли величины относительной деформации, модуля объемной упругости, тангенциального напряжения стенки мочеточника; проводили статистический анализ полученных данных; результаты анализа использовали для математического моделирования и компьютерного программирования процедуры баллонной дилатации мочеточника.

В результате проведенной работы впервые были получены данные о количественной анатомии мочеточника человека в различных возрастно-половых группах. Разработана методика для изучения биомеханических свойств мочеточника человека. Изучены биомеханические свойства мочеточника человека. Создана математическая модель, имитирующая процедуру баллонной дилатации мочеточника человека, базирующаяся на установленных в ходе исследования параметрах его биомеханических свойств и количественной анатомии. Теоретически разработана технология проведения управляемой, автоматизированной баллонной дилатации мочеточника человека. Создана действующая модель АПК “Visual-2”, позволяющего проводить баллонную дилатацию мочеточника в автоматизированном режиме при объективном контроле над процессом дилатации просвета мочеточника.

Установленные в ходе исследования количественные параметры анатомии и биомеханических свойств мочеточника человека; их связи с полом, возрастной группой, уровнем расположения, левой или правой стороной; корреляционные и регрессионные связи надлежит использовать в качестве индивидуальной объективной количественной характеристики нормального строения интактного и дилатируемого мочеточника. Разработанные методика и устройство проведения баллонной дилатации in vitro, могут быть использованы для дальнейшего изучения биомеханических свойств мочеточника и других полых органов человека, например, кровеносных и лимфатических сосудов, маточных труб, отделов кишечника и др. Созданную ММ, имитирующую процедуру БДМ, следует использовать для проведения виртуального эксперимента с целью предсказания поведения мочеточника в процессе дилатации. Разработанная технология проведения управляемой, автоматизированной БДМ и предсказания поведения мочеточника в процессе дилатации после клинических исследований и доработки может широко использоваться в практической медицине, что будет способствовать прогнозированию исходов дилатации внутреннего просвета мочеточника и снижению вероятности операционных и послеоперационных осложнений.

Ключевые слова: морфометрия, биомеханические свойства, мочеточник, баллонная дилатация, математическое моделирование.

Annotation

Fedorishin R.P. Biomechanical properties of the human ureter (an experimental anatomical research). - Manuscript.

Thesis for acquiring the status of a medical sciences candidate by speciality 14.03.01 - normal anatomy. - Crimean State Medical University of S.I. Georgievsky of the Health Ministry of Ukraine. - Simferopol, 2009.

The thesis is dedicated to solving the problem of defining the quantitative anatomical and biomechanical parameters of the human ureter which are required to improve the procedure of balloon ureter dilatation and to create a model of a device which could imitate this procedure in vitro. Morphometry of intact and dilatated ureter segments has been done; relative deformation, volume elasticity and tangencial stress of the ureter wall has been defined based on the data acquired via morphometry. The results of the analysis has been used for mathematical modelling and computer programming of the balloon ureter dilatation procedure. The result of the work was the first acquisition of data about quantitative anatomy of the human ureter in different age and gender groups. The methodics of learning the biomechanical properties of the ureter was improved, these properties were learned. A mathematical model, which is based on the parameters of biomechanical properties and quantitative anatomy learned during the research, was created to imitate the procedure of the balloon ureter dilatation procedure. A technology of making a controlled automated balloon ureter dilatation was developed theoretically. An acting model of the "Visual-2" device was created, which allows to make balloon ureter dilatation in automated mode with objective control over the process of the ureter clearance dilatation.

Key words: morphometry, biomechanical properties, ureter, balloon dilatation, mathematical modelling.

Перелік умовних скорочень

АЕ - акустична емісія

АПК - апаратно-програмний комплекс

БДС - балонна дилатація сечоводу

ММ - математична модель

СС - сегмент сечоводу людини

D - діаметр внутрішнього просвіту сечоводу

E - модуль об'ємної пружності

H - товщина стінки сечоводу

у - тангенціальна напруга

Д - відносна деформація стінки сечоводу



Підписано до друку 05,02.2009 р. Формат 60х84 1/16.

Папір офсетний. Друк RISO.

Умов. друк. арк. 0,9. Тираж 150 прим. Зам. № 4/041

Надруковано

РПЦ «ДОМIНО»

95034, м. Сімферополь, вул. Київська, 125 б.

Размещено на Allbest.ru

...