Механика композитных материалов 6 1980

9. Едемский M. Л. Об одном типе систем с переключающейся структурой (уп­ равляемая часть системы кровообращения). — В кн.: Модели структурно-функцио­

15.Руда M. Я. Коронарный кровоток и потребление миокардом кислорода при протиропульсации. — Кардиология, 1970, т. 10, № 4, с. 26—32.

16.Марцинкявичюс А. М., Паулюнас П. А., Каволюнас Д. А., Глик Н. Е. Экспе­ риментальные исследования влияния контрпульсации интрааортальным баллоном на гемодинамику н коронарный кровоток. — Кровообращение, 1976, т. 9, № 3, с. 27—30.

17.Bacaner М. В., Lioy F., Visscher М. В. Induced change in heart metabolism as a

primary determinant of heart performance. — Amer. J. Physiol., 1965, vol. 209, N 3,

p.519—531.

18.Sarnoff S. J., Mitchell J. H., Gilmore J. P., Remensnyder J. P. Homeometric regulation of the heart. — Circ. Res., 1960, vol. 8, N 5, p. 1077— 1091.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1980, № 6, с. 1081—1087

УДК 611.71:534.614

И. Я•Дзене, В. В. Дзенис, Л. И. Петухова, А. М. Татаринов, А. #. Янеон

ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛЬШЕБЕРЦОВЫХ КОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ПРИ КОКСАРТРОЗАХ И ПЕРЕЛОМАХ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ УЛЬТРАЗВУКА

Описаны сравнительно многочисленные попытки использовать ульт­ развуковые продольные волны с целью диагностики степени сращения кости при переломах [1—4]. Установлено, что переломы костей приводят к достоверному понижению скорости распространения ультразвука и по­ вышению коэффициента затухания. При сращении перелома показатели механических свойств костной ткани снова улучшаются, что влечет за собой увеличение скорости ультразвука и понижение коэффициента за­ тухания. В [4] показано, что ультразвуковые параметры зависят также от степени жесткости фиксации перелома и от величины поперечного се­ чения дефекта. Согласно [5, 6], ультразвуковой метод дает возможность оценивать состояние костной ткани при разных остеопатиях и повреж­ дениях в динамике.

Однако ультразвуковые измерения продольной волны сопровожда­ ются рядом трудностей методического характера, одна из которых — необходимость применения плоских пьезопреобразователей со сравни­ тельно большой контактной поверхностью (в зависимости от частоты излучения — от нескольких до 20 см2 и более). Это вынуждает вести измерения на больших базах — от 5 до 30 см, что снижает надежность крепления пьезопреобразователей к исследуемому объекту сложной кон­ фигурации. Поэтому в подобных случаях практически невозможно про­ вести детальное обследование изучаемого объекта, причем точность из­ мерения понижается.

Для повышения информативности ультразвукового метода при ис­ следовании некоторых видов патологии большеберцовой кости человека нами использовались пьезопреобразователи в виде экспоненциальных концентраторов [7, 8], что дало возможность получить практически точеч­ ный контакт с поверхностью костной ткани. Это позволило провести из­ мерения на малых базах (10 мм) при доступе только с одной стороны исследуемого объекта.

Целью данной работы было выявление возможностей применения экспоненциальных концентраторов при использовании методики [7, 8] для ультразвуковой диагностики состояния большеберцовой кости у боль­ ных с переломами ноги и у больных коксартрозом (деформирующий ар­ троз тазобедренного сустава). В дальнейшем объект наших исследова­ ний — большеберцовая кость — будет для краткости называться костью.

Обследование большеберцовых костей проводили по вертикальной линии на пе­ редне-медиальной поверхности голени, где кость покрыта только тонким слоем кожи. Каждая линия была разделена на 10 поясов (нумерация поясов идет по ноге сверху вниз) длиной 3,5—3,8 см, в каждом из которых проводили два-шесть параллельных из­ мерений на базе /=1 см. Измерения осуществлялись через кожный покров, наличие ко­ торого практически не влияет на результаты исследования [8]. Изгибиые волны ультра­ звука распространяются между концами концентраторов по покрытой кожей костной ткани, углубляясь в нее по приближенным расчетам [9] на 1,0— 1,5 см. По результатам измерений на ультразвуковом приборе ДУК-20 времени прохождения волны между концентраторами т в микросекундах была рассчитана скорость распространения изгиб-

ной волны в компактной костной ткани по формуле сп= //т —Дт км/с, где Дт — времен­ ная задержка в концентраторах, определенная из специально поставленных опытов [7], равная для использованной пары концентраторов 32 мкс.

Для сравнительной оценки степени и характера изменения механических свойств кости, вызванных болезнью, нами были также изучены кости практически здоровых людей с тем, чтобы выявить «норму» ультразвуковых показателей. Были обследованы ноги у 67 человек; среди них было 10 больных коксартрозом и 11 больных после пере­ ломов костей голени и бедра. Все обследованные были разделены по возрасту на пять групп (табл. 1).

На каждом человеке в течение 10— 12 мин проводили в среднем 60 измерений — по 30 на правой и левой нижних конечностях (ПНК; ДНК). В каждом поясе проводили три измерения т по вертикали. Рассчитывали средние значения скорости по поясу с(И)п, среднеквадратичное отклонение сгп и коэффициент вариации va. Последний характеризо­ вал воспроизводимость параллельных измерений на каждом поясе. Значения ип во всех

вместе сп. Рассчитывали также соответствующие среднеквадратичные отклонения ап, ал, сгч и коэффициенты вариаций VH, vn, ич, характеризующие величину разброса экспе­ риментальных значений скорости ультразвука по вертикальной линии в медиальной плоскости кости для каждой ноги или для обеих ног (ПНК и ЛНК) вместе.

Исходя из экспериментальных результатов, полученных на практически здоровых людях, были исследованы зависимости скоростей прохождения ультразвука в костях от биологического возраста человека. Для каждой возрастной группы была рассчитана средняя (общая для данной группы) скорость ультразвука счг и соответствующий сред­ ний коэффициент вариации ичг. Для характеристики неоднородности данных, получен­ ных внутри одной группы, были рассчитаны среднеквадратичные отклонения по ско­ рости (Тег и по коэффициенту вариации аиг.

При анализе экспериментальных результатов, полученных на костях ПНК и ЛНК, использовались коэффициенты асимметрии Кс= сп/сл по скоростям и Ка= о а/ол по сред­ неквадратичным отклонениям.

Данные, полученные на практически здоровых людях, приведены на рис. 1—3. Видно, что с возрастом скорость ультразвука увеличивается до 30—45 лет (III группа), после чего наблюдается тенденция к ее пони­ жению (см. рис. 1). Эти данные согласуются с [10, 11], где ориентиро­ вочно в этом же возрасте достигает максимума скорость продольной волны ультразвука в большеберцовых костях людей.

Характер изменения коэффициента вариации v4 с возрастом анало­ гичен характеру изменения скорости. Это указывает на то, что в началь­ ный период жизни (I и II возрастные группы) разница в значениях ско­ рости по поясам выражена мало. С возрастом эта разница заметно уве­ личивается; повышается также разброс данных внутри одной возрастной группы — (Тег и аггЭто связано с тем, что с возрастом упругие свойства

ультразвуковые показатели было установлено и в настоящей работе: если человек в молодые годы регулярно занимался таким видом спорта, при котором интенсивно нагружались нижние конечности, то у него в более позднем возрасте, когда занятия спортом прекратились, ультра­ звуковые показатели сч, v4 были значительно выше, чем у других людей в данной возрастной группе, не занимавшихся спортом.'Было замечено, что у людей, которые на работе и в быту сильно нагружают нижние ко­ нечности сч, v4 больше, чем у людей малоподвижных. Так, например, женщина 54 лет, которая выполняет физическую работу и ведет актив­ ный образ жизни, имела сч 1,74 км/с и ич 17,8%; женщина 52 лет, веду­

В связи с этим предполагаем, что относительно-большой разброс экспериментальных данных, полученных в группах III—V, объясняется не низкой точностью измерений, а различиями ИП у разных людей, за­ висящими от образа их жизни. Известно, что при систематической и разнообразной (зависящей от рода занятий) физической нагрузке кость подвергается давлению, натяжению, сгибанию, скручиванию и т. д. сложным образом. В результате этих механических воздействий кость адаптируется к этим нагрузкам — в костной ткани происходят струк­ турные и функциональные изменения, ведущие к изменению прочност­ ных и деформативных свойств, на что реагируют ультразвуковые пока­ затели.

Следует также отметить, что при сравнении данных акустических испытаний костей ПНК и ЛНК практически здоровых людей было вы­ явлено, что средние скорости в костях обеих ног практически равны, но при этом кость правой ноги имеет более неоднородные механические свойства, чем кость левой ноги (Ко в среднем 1,15), что согласуется с данными [8, 12] для спортсменов.

Анализ экспериментальных данных ультразвуковых измерений (сред­ них для возрастной группы в целом) по отдельным поясам ноги в зави­ симости от биологического возраста показал (см. рис. 3), что в детском возрасте (I возрастная группа) скорости ультразвука в кости относи­ тельно невелики, их значения мало зависят от пояса измерения и ИП невыражеи. Различия в ИП в данной группе тоже мало выражены (агг минимальное для всех поясов). В последующих возрастных группах (11 и III) наблюдается существенное увеличение скорости ультразвука в кости и резкое различие между скоростями по поясам. ИП становится строго характерным для данного человека. При этом наибольшие ско­ рость и среднеквадратичное отклонение отмечены в средней части кости — в днафизе. Отметим, что увеличение скорости ультразвука именно в диафизе по мере повышения спортивной квалификации было обнаружено в [9]. Если у спортсменов такие изменения вызваны система­ тическими тренировками по определенному стереотипу, то у людей, практически не занимающихся спортом, подобные изменения, очевидно, связаны с интенсификацией жизнедеятельности с возрастом, в резуль­ тате чего все больше увеличиваются и усложняются нагрузки на нижние конечности. Кость должна адаптироваться к этим новым жизненным условиям, изменяя свои деформативные и прочностные свойства. В двух последних возрастных группах (IV и V) наблюдается тенденция к по­ нижению (по сравнению с III группой) скорости ультразвука Счг, в ос* новном в диафизе ИП снова становится менее выраженным.

Данные, полученные при обследовании больных после переломов кос­ тей нижних конечностей и больных коксартрозом, приведены в табл. 2 и на рис. 4—7. Они сопоставлены с данными, полученными на практи­ чески здоровых людях, причем в эту группу включены люди, близкие по возрасту к больным.

При обследовании больных, лечившихся после переломов голени и бедра, наблюдается уменьшение скоростей и разброса эксперименталь­ ных данных по сравнению с группой практически здоровых людей. Это происходит в основном за счет заметного понижения средней скорости и уменьшения разброса экспериментальных результатов по разным поя-

сам в поврежденной кости. Было выявлено, что в среднем К*с= — =0,96

Сэ

и К*а= — =0,58, где Сб и сгб — соответственно средняя скорость ультра-

аз

звука и среднеквадратичное отклонение в кости поврежденной ноги; с3, 03 — то же в здоровой ноге. Объяснение указанных явлений, по-види­ мому, связано с тем, что при переломах костей в начальном периоде вы­ здоровления нижние конечности вообще не нагружены (при постельном режиме) или нагружены мало. В основном это касается больной ноги. В результате происходит ухудшение кровообращения, изменение мине­ рального состава и истощение кортикального слоя кости, на что реаги­ рует скорость ультразвука. Это видно на рис. 4, где приведены резуль­ таты измерений скорости прохождения ультразвука у больных, лечив­ шихся после переломов. Обращает на себя внимание отставание в значениях скоростей в поврежденной конечности, особенно у больного с переломом левой голени, несмотря на то, что после перелома прошло уже 4 мес. В данном случае имеется замедленная консолидация перелома, и, следовательно, запоздалая функциональная нагрузка на нижнюю конеч­ ность. Менее заметна разница в скоростях в больной и здоровой ноге у больной с переломом правой голени. Своевременная консолидация пере-

Рис. 4. Средние значения скорости ультразвука с(П)п по цоясам в медиальной плоскости костей ПНК (/, 3) и ЛНК (2, 4)\ а — мужчина, 19 лет; 4 мес после перелома левой голени; б — женщина, 55 лет; 8 мес после перелома правой голени.

Рис. 5. Средние значения скорости ультразвука по поясам с(ц)П (точки) и их средне­ квадратичные отклонения (горизонтальные линии) в медиальной плоскости кости ПНК женщины, 58 лет, больной правосторонним коксартрозом: 1 — 3 дня до операции; 2 — 10 дней после операции; 3 — 19 дней; 4 — 50 дней после операции.

лома позволила больному рано нагружать поврежденную ногу, что стимулировало восстанов­ ление жизненных функций в кости — это наглядно пока­ зали изменения скорости ульт­ развука.

Более сложной является оценка показателей скорости прохождения ультразвука у больных коксартрозом. Для них характерно некоторое уменьшение средней скорости по сравнению с группой здоро­ вых людей; увеличение раз­ броса результатов измерений ИП у больных коксартрозом, как правило, отличается слож­ ной конфигурацией (см. рис. 5), что косвенно указывает на возросшую вследствие длитель­ ной болезни неоднородность свойств компактной костной ткани.

На рис. 6 приведены неко­ торые результаты изменения средней по ноге скорости ультразвука до и после операции. Количест­

венные характеристики кривых сп,л(0 зависят от целого ряда факторов, таких, как состояние больного, степень заболевания, возраст больного, вид операции и т. д.; но при этом сохраняются общий вид кривых и сле­ дующие характерные особенности: 1) больной поступает на операцию с пониженнными (по сравнению с нормой) значениями скорости ультра­ звука для обеих ног; 2) после операции по истечении какого-то времени скорости начинают увеличиваться и 3) через определенный срок после операции достигаются максимальные, характерные для данного боль­ ного, значения.

В общем случае средняя скорость по ноге сп,л или по обеим ногам вместе сч подчиняется схеме, приведенной на рис. 7, которая может быть использована для диагностики состояния больного коксартрозом по трем основным показателям; A<?i определяет состояние большеберцовых костей больного до операции, Ас2 показывает, насколько улучшились упругие свойства костей в период реабилитации, и At определяет дли­ тельность этого периода. Представляется, что подобная схема может быть использована также при реабилитации больного после переломов костей. В силу выраженного индивидуального характера значений ско­ ростей сП|Л или сч у здоровых людей (см. рис. 1) средние данные по возрастным группам не могут быть использованы для установления нормы при работе по этой схеме — здесь необходимо знание скоростей до болезни данного человека.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Siegel /. М., Anast G. Т., Fields Determination of fracture healing by measure­

ment of sound velocity across the fracture site. — Surg. Gyn. Obstet., 1958, vol. 107, N 3, p. 327—332.

2. Vogel S., Wollenberg W., Pazolt H. J. Ultraschalldampfungsmessung am menschlichen Rohrenknochen. — Wiss. Ztschr. der Humboldt-Univer. Nat., 1972, Bd 21, N 1,

S.75—78.

3.Дубров Э. Я. Ультразвуковая диагностика при повреждениях костей. М., 1974.

4. Вилкс Ю. К., Пфафрод Г. О., Янсон X. А., Саулгозис Ю. Ж- Экспериментальное исследование влияния перелома и оперативного вмешательства на акустические свойства большеберцовой кости человека. — Механика полимеров, 1978, № 1, с. 88—96.

5.Rich С., Klinik Е., Smith R., Graham В. Measurement of bone mass from ultra­ sonic transmission time. — Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1966, vol. 123, p. 282—285.

6.Willner R., Gramlich B., Millner M., Runge H. Ultrasonic parameters for charac­

terising the state of bone in vivo. — New Trends in the Ultrasonic Diagnostics Summ. Deliv. pap., 4, 1974.

7. Дзенис В. В., Мертен А. А., Бернхард В. К., Шумский В. В. Применение поверх­ ностных волн ультразвука для изучения свойств большеберцовых костей человека. — Механика полимеров, 1975, № 4, с. 674—679.

8. Мертен А. А., Дзенис В. В., Шумский В. В., Бернхард В. К., Янковский Г. А.

Исследование влияния физических нагрузок на состояние большеберцовых костей чело­ века по данным ультразвуковых измерений. .— Механика полимеров, 1976, № 6,

с.1079— 1083.

9.Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и

Лэмба в технике. М., 1966. 168 с.

10.Дубров Э. Я-, Тарутин О. В., Зима Л. Г. Ультразвуковая диагностика при по­ вреждениях и заболеваниях костей. — Хирургия, 1972, № 4, с. 61—66.

11.Gross S. A., Johnston R. L., Dunn F. Comprehensive compilation of empirical ultrasonic properties of mammalian tissnes — J. Acounst. Soc., 1978, p. 423—457.

12.Шумский В. В., Мертен А. А., Дзенис В. В. Влияние вида физических нагрузок на состояние большеберцовых костей спортсменов высокой спортивной квалификации по данным ультразвуковых измерений. — Механика полимеров, 1978, № 5, с. 884—888.