Автореферат и диссертация по медицине (14.00.17) на тему:Физиологические и биофизические основы взаимодействия высокоэнергетических жидкостных струй с биологическими тканями

. ф-езидиум ВАК Россизиу

- мнение от" Ш,

рисудил ученую степень ДОКТОРА

____,__наук

Начальник управления ВАК России

На правах рукописи РОЗАНОВ Владимир Викторович

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЖИДКОСТНЫХ СТРУЙ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

Специальность: 14.00.17 - нормальная физиология 03.00.02 - биофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научные консультанты:

академик РАМН, д.м.н. профессор * Агаджанян Н.А.

член-корреспондент РАН, д.ф.-м.н. профессор Руденко О.В.

Москва - 1999

Содержание

Введение 7

Глава 1. Взаимодействие водных сред с биологическими 17

тканями и живыми организмами на различных пространственно-временных и энергетических масштабах.

§ 1.1. Физиологические и биофизические свойства и 17

функции водных сред в живых организмах.

§ 1.2. Современные представления о структуре жидкой 26

воды

1.2.1. Молекулярный уровень 29

1.2.2. Макроскопические (макромасштабные) 30 модели строения воды.

1.2.3. Методы экспериментальных и модельных 35 исследований свойств и структуры водных сред.

§ 1.3. Водные структуры в процессах взаимодействия 48

электромагнитных полей и живых организмов.

1.3.1. Электромагнитные поля и живые 48 организмы

1.3.2. Особенности поведения и роль воды в 54 микромасштабном. взаимодействии электромагнитных полей и биологических структур

§ 1.4. Использование высокоэнергетической водяной 65

струи для разделения биотканей. Макромасштабное взаимодействие

1.4.1. Струйные течения. Биомедицинские, 66 гидрофизические, технологические аспекты.

1.4.2. Особенности гидроструйной обработки 70 материалов

1.4.3. Аппаратура для биомедицинского 74 применения.

- Глава 2. Взаимодействие высокоэнергетических жидкостных 79

струй с костными тканями.

§ 2.1. Постановка задачи, строение и механические 79 свойства костной ткани (обзор литературы).

2.1.1. Типы костной ткани 8 О

2.1.2. Механические свойства костных тканей 82

2.1.3. Использование модели сплошной среды 86 при рассмотрении компактной костной ткани.

§ 2.2. Стационарная задача о воздействии 91 сосредоточенной и распределенной силы на модельное полупространство с механическими характеристиками компактной костной ткани.

2.2.1. Сосредоточенная нагрузка 91

2.2.2. Распределенная нагрузка 95

§ 2.3. Динамическая задача о воздействии распре- 99 деленной силы на компактную костную ткань.

2.3.1. Физическая постановка задачи 99

2.3.2. Математическая модель 100

2.3.3. Обсуждение результатов расчетов. 105

§ 2.4. Экспериментальные исследования аспектов 116 медикобиологического применения

гидроструйных технологий

2.4.1. Описание опытных установок и 116 экспериментальных методик гидроструйного разделения костных тканей.

2.4.2. Рекомендации по составу используемых 133 рабочих жидкостей

2.4.3. Экспериментальная установка для СВЧ 142 стерилизации жидких сред.

2.4.4. Эколого-медицинские аспекты промыш- 156 ленного использования гидрорезных технологий.

- Глава 3. Численное моделирование процесса механического 161 взаимодействия высокоэнергетической жидкостной струи с кровеносным сосудом.

§3.1. Осесимметричная плоская задача 162

3.1.1. Постановка задачи и методика 162 исследования

3.1.2. Качественные особенности процесса 164 распространения волны давления вдоль сосуда

3.1.3. Результаты и анализ численных расчетов 177

§ 3.2. Пространственная задача 187

3.2.1. Особенности физической и 187

математической постановки задачи

э 3.2.2. Обсуждение результатов численных 189 расчетов

Глава 4. Аналитическое исследование распространения 215 пульсовой волны по сосуду.

*

§ 4.1. Постановка задачи о распространении 215 нелинейных пульсовых волн в тонких эластичных трубках с изменяющимися вдоль оси упругими свойствами и поперечным сечением. Вывод основных уравнений.

§ 4.2. Изменение площади поперечного сечения 224 сосуда под действием распространяющейся по сосуду пульсовой волны.

4.2.1. Линейная задача. 224

4.2.2. Слабонелинейная задача. 227

§ 4.3 Трансформация импульсов давления и скорости 235 в результате их распространения по сосуду с нелинейными упругими свойствами

§ 4.4 Проверка работоспособности построенной 240 модели

§ 4.5 Обратная задача и возможности локального 247 волнового неинвазивного исследования неоднородностей сосудистого русла

4.5.1. Методы неинвазивного исследования 247 сосудистого русла

4.5.2. Модель рассеяния пульсовой волны на 250 локальной неоднородности сосуда.

4.5.3. Локальное нарушение механических 251 характеристик стенок сосуда

4.5\4. Локальная неоднородность формы 254 поперечного сечения сосуда.

Глава 5. Оптические методы диагностики динамических 256 параметров потоков жидкости и жидкостных сред.

§ 5.1 Методы неинвазивной регистрации скорости 256 кровотока в сосуде.

3 5.1.1. Акустические методы 256

5.1.2. Лазерные методы 263

§ 5.2. Лазерные доплеровские измерители скорости 274 потоков жидкости

5.2.1. Основные принципы работы ЛДИС. 274

5.2.2. Лабораторный и полевой варианты ЛДИС 279

§ 5.3. Оценка основных параметров ЛДИС 286

§ 5.4. Влияние характеристик исследуемого потока и 289 внешних условий на параметры доплеровского сигнала ЛДИС

5.4.1. Спектр доплеровского сигнала 289

5.4.2. Влияние периодических движений ЛДИС 290 на спектр сигнала

5.4.3. Ширина спектра сигнала в случае 294 турбулентного потока

5.4.4. Факторы, приводящие к уширению 297 спектра сигнала

§ 5.5. Однопучковый "трассовый" метод измерения 304 профиля скорости потока

5.5.1. Постановка проблемы; идея метода 304

5.5.2. Описание эксперимента 307

§5.6. Применение метода люминесцентного зонда для 312

исследования ударно-волновых и акустических

полей в конденсированных средах.

5.6.1. Влияние давления на спектральные 312 характеристики примесных молекул

5.6.2. Процессы изомеризации молекулярных 316 зондов как сенсор для регистрации параметров конденсированных сред

5.6.3. Влияние давления на процессы, 319 происходящие в растворах сложных органических веществ в электронно-возбужденном состоянии

5.6.4. Влияние давления на процессы 323 длительного свечения сложных органических соединений в растворах

5.6.5. Люминесцентные методы исследования 328 распределения давления в газах и твердых

телах

Глава 6. Водные структуры в поле электромагнитного 333 излучения.

§ 6.1. Инструментальные исследования изменения 333 физических параметров водных и биологических структур под действием электромагнитных полей.

6.1.1. Воздействие слабых переменных 333 магнитных полей на модельные биологические системы.

6.1.2. Изменение оптической плотности 343 жидкости под действие электромагнитного излучения микроволнового диапазона.

6.1.3. Воздействие микроволнового излучения 346 на водный раствор белка.

6.1.4. Действие микроволнового излучения на 349 ферментативную активность трипсина.

6.1.5. Действие микроволнового излучения на 351

микроорганизмы.

§ 6.2. Исследование возможности структурных изменений водных и биологических систем при электромагнитном воздействии

6.2.1. Численное моделирование локальных квазиустойчивых структур в водных средах

6.2.2. Применение ЯМР - спектроскопии для исследования слабых возмущений водородных связей водных систем

Заключение Выводы

Практические рекомендации Литература

357

372

383 388 393 397

Приложение 1. Параметры и факторы, определяющие эффективность технологии гидрорезания

П-1.1 Давление П-1.2 Параметры сопла П-1.3 Параметры струи П-1.4 Состав рабочей жидкости П-1.5 Наличие и характеристики абразива П-1.6 Свойства обрабатываемых материалов П-1.7 Использование твердотопливных генераторов селективных газов для создания рабочего давления в гидрорежущих устройствах.

Приложение 2. Инструменты и методы для разделения биотканей

и

УИ

хш

XV

х1х

XXVI ХХУИ

XIV

ВВЕДЕНИЕ

Биологические ткани, системы, организмы в процессе своей жизнедеятельности находятся под воздействием разнообразных внешних факторов. На макроуровне изучение этих воздействий объединяется в рамках экологии, которую Э.Геккель определял как . "...общую науку об отношении организмов к окружающей среде"[1]. Конкретные виды и формы взаимодействий по иерархическим уровням биотических систем определяют дальнейшее подразделение экологии на эндоэкологию и экзоэкологию и далее на молекулярную, морфологическую, физиологическую и т.д. Эффективная адаптация организмов к внешним воздействиям является необходимым условием их нормальной жизнедеятельности, поддержания устойчивого уровня активности и взаимосвязи функциональных систем, органов и тканей.

Изучение многообразия механизмов взаимодействия биологических систем и организмов с внешними факторами приводит к необходимости исследования процессов, происходящих на микроуровне. Однако, на любом уровне масштабов значительную, а во многих случаях и преобладающую роль в этих взаимодействиях играют водные среды.

Все функционирующие живые системы в большой степени состоят из воды в жидкой фазе [Г-5]. В наземных растениях ее содержание доходит до 85-95%. Человеческий организм на стадии эмбриона на 97% состоит из воды. Позднее с развитием плода, после рождения ребенка ее количество сокращается до 86%, и далее с возрастом достигает -60%. Большинство органических соединений, участвующих в биологических процессах - водорастворимы, и биохимические реакции протекают в воде. Последние теории непосредственно связывают с водой процессы синтеза

предбиологической органики - формирования цепочки "аминокислоты полипептиды сахара -> нуклеотиды и их цепи" вплоть до двойной спирали Уотсона-Крика. [8].

Водные среды осуществляют важнейшую в обмене веществ транспортную функцию. В основе гуморальной регуляции физиологических функций организма также жидкие среды - кровь, лимфа, внутри- и внеклеточные жидкости, основу которых составляет вода. В состав водных сред входят различные вещества, участвующие в химических реакциях, процессах энерго-, массо-, теплообмена. Вода может быть непосредственным участником, катализатором, продуктом этих взаимодействий.

В то же время, водные среды, участвующие во всех этих процессах, сами постоянно подвергаются физическим, химическим, биологическим и т.п. воздействиям и видоизменяются под их влиянием. Эти изменения могут быть долгоживущими и проявляться в виде "памяти" на тот или иной вид воздействия (магнитный, химический, электромагнитный и др.) [141,185,186]. Известные экспериментальные факты дают основание полагать, что водные среды, видоизменяя свою структуру и свойства, могут выполнять роль посредника, "передаточного звена", своеобразной "реплики" в процессах взаимодействия и функционирования билогических тканей и структур, живых организмов с внешними факторами, в частности, например, - с электромагнитными полями различной интенсивности и диапазонов длин волн, определяя, таким образом сами механизмы такого взаимодействия и результирующих биологических эффектов [32,139,140].

Выяснение этих механизмов, места и роли в них водных сред, передаточной, регуляторной, "информационной" функции воды в формировании того или иного биологического отклика невозможно

без исследования структуры, свойств, . изменчивости самой водной среды, особенно в процессах взаимодействий с различными внешними факторами на различных пространственных и временных масштабах. Все эти проблемы являются актуальными, т.к. на сегодняшний день остается открытым даже вопрос структуры воды. Ни одна из существующих моделей (модель твердых сфер, континуальные, кластерные, клатратные и др.) не может в полной мере описать все разнообразные и уникальные свойства и особенности жидкой воды [9,35,36,43,57,58]. И в этой связи актуальны задачи как совершенствования существующих, так и развития новых моделей, теоретических и экспериментальных средств и методов исследования водных сред, их структуры, параметров, характеристик, отклика на внешние воздействия вообще и электромагнитные поля в частности, взаимодействия с биологическими тканями, структурами, органами и организмами на различных пространственных и временных масштабах.

Взаимодействие биологических тканей и систем с жидкостными средами на макромасштабном уровне составляет сравнительно новую область исследований, связанных с высокоэнергетическими жидкостными струями. Струйные течения жидкости давно используются в медицине как эффективное средство комбинированного физиотерапевтического воздействия [149]. Известны применения жидкостных струй для очистки ран и трофических язв [150]. Струйное движение растворов лекарственных препаратов широко используется при проведении игольных и безыгольных инъекций. Новые проблемы устойчивости и деструкции тканей, тепло- и энергообмена и т.п., касающиеся взаимодействия жидкостных струй с тканями и системами биологических организмов, появились в связи с попытками биомедицинских применений гидрорезных технологий - обработки материалов различной природы и

твердости с помощью жидкостной или абразивно-жидкостной струи сверхвысокого (100...500 МПа) давления [171].

Использование кинетической энергии струи жидкости может быть эффективным при многих хирургических процедурах, причем не только связанных с разделением тканей. В зависимости от энергии, способов формирования и состава струи принципиально возможно эффективное осуществление не только гидропрепаровки мягких тканей, но и резания костей, очистки гнойных ран и безигольных инъекций как в мягкие ткани, так и в губчатые кости.

В последние годы появляются и первые попытки создания и использования гидрорезных устройств биомедицинского назначения [177-181]. Все это выдвигает на передний план работы, посвященные исследованиям процессов взаимодействия высокоэнергетических жидкостных струй с биологическими тканями и системами. Требуют качественного анализа и количественной формулировки проблемы биомеханики таких взаимодействий, оценки их возможных физиологических последствий, а также рекомендаций по оптимизации состава и способам подготовки рабочих жидкостей для таких устройств.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель настоящей диссертационной работы - исследование физиологических и биофизических основ взаимодействия высокоэнергетических жидкостных струй с биологическими тканями и системами, разработка научно-обоснованных средств и выработка рекомендаций по их практическому медико-биологическому применению.

Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:

1. Создать необходимую экспериментальную базу, включающую в себя лабораторные установки для исследования динамических процессов на физических моделях, специальное гидрорезное

оборудование, измерительно-вычислительные комплексы для статистической обработки экспериментальных данных и осуществления математического моделирования исследуемых процессов с применением компьютерных численных методик;

2. Изучить эколого-физиологические аспекты практического применения гидроструйных технологий в производственных процессах обработки материалов и выработать научно-обоснованные рекомендации.

3. Провести экспериментальные и теоретические исследования возможностей применения струйных технологий для разделения твердых биологических тканей и выработать рекомендации по составу и подготовке жидких сред и подбору твердых материалов для использования при формировании жидкостных и абразивно-жидкостных режущих струй медико-биологического применения.

4. Исследовать на математических моделях процессы взаимодействия высокоэнергетических жидкостных струй с биологическими тканями и сосудами, возможные условия появления и особенности распространения импульса давления при пересечении сосуда высокоэнергетической струей.

5. Подобрать и развить адекватные методики экспериментального исследования динамических параметров жидкостных потоков и струй, их распространения и развития, а также параметров конденсированных сред в условиях высоких давлений.

6. Провести инструментальные исследования характера изменений параметров, структуры и свойств водных сред под воздействием магнитных и электромагнитных полей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Экспериментально и теоретически подтверждена эффективность применения гидроструйных технологий для разделения твердых биологических тканей;

Дано обоснование возможности применения углеродсодержащих сорбентов СУМС-1 в качестве абразивных добавок при формировании абразивно-жидкостной струи для разделения и очистки мягких и твердых биологических тканей.

Выработаны критерии и определены пространственно-временные масштабы, на которых применимы методы теории упругости к рассмотрению компактной костной ткани.

Создана новая теоретическая модель распространения пульсовой волны по сосуду с учетом его линейных и нелинейных упругих свойств;

- Получены аналитические выражения для трансформации импульсов давления и скорости кровотока в сосуде с учетом изменения формы сосуда и его упругих с