Биомеханика - 2014. Материалы XI Всероссийской конференции с международн

Обсуждение

Численные результаты показывают, что во всех случаях, кроме чисто статического нагружения, имеет место восстановление механических свойств костной ткани. При этом зрелая костная ткань с высокими значениями механических свойств образуется между двумя частями кости вблизи стенок, в то время как внутри костномозгового канала и вокруг кости после первоначального повышения механических характеристик происходит резорбция ткани с соответствующим снижением модуля Юнга до значений недифференцированной мягкой субстанции.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-01-00054-а.

Список литературы

1.Van der Meulen M.. Huiskes R. Why mechanobiology? A survey article // J. Biomech. – 2002. – Vol. 35, no. 4. – P. 401–414.

2.Lacroix D., Prendergast P.J. A mechano-regulation model for tissue differentiation during fracture healing: analysis of gap size and loading // J. Biomech. – 2002. – Vol. 35, no. 8. – P. 1163–1171.

3.Маслов Л.Б. Математическая модель структурной перестройки костной ткани // Российский журнал биомеханики. – 2013. – Т. 17, № 2(60). – С. 39–63.

4.Маслов Л.Б. Математическое моделирование колебаний пороупругих систем: моногр. – Иваново: Изд-во Иван. гос. энергет. ун-та, 2010. – 264 с.

УДК 539.3

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ КРОВИ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ДОППЛЕРОВСКОЙ ФЛОУМЕТРИИ

И.А. Мизева1, Д.С. Ветрова2

1Институт механики сплошных сред УрО РАН,

Россия, 614013, г. Пермь, Академика Королева, 1, mizeva@icmm.ru 2Пермский государственный национальный исследовательский университет,

Россия, г. Пермь, 614990, ул. Букирева, 15, darya-vetrova@mail.ru

Ключевые слова: микроциркуляция крови, лазерная допплеровская флоуметрия, вейвлет-анализ.

Введение

Кровообращение в микрососудах диаметром до 100 мкм, обеспечивающих процессы обмена между кровью и тканями, называют микроциркуляцией. В эту систему входят капилляры, мельчайшие артериолы и венулы, артериоловенулярные анастомозы, метартериолы, а также лимфоносные сосуды [1]. Более широкий подход трактует микроциркуляцию как весь комплекс процессов обмена и транспорта жидкости в тканях, отводя для внутрисосудистых процессов понятие «микрогемоциркуляция». Принципиальное значение имеет оценка степени нарушений микроциркуляции при изучении патогенеза сахарного диабета, атеросклероза, синдрома Рейно и других заболеваний, поскольку данная система играет ключевую роль в развитии трофических нарушений.

Для описания поведения микроциркуляторного русла традиционно привлекается понятие «сосудистый тонус». Факторы регуляции сосудистого тонуса вызывают сложные непериодические изменения перфузии (прохождения крови через ткань). Эти изменения могут быть зарегистрированы с использованием различных исследовательских методик, наиболее распространненной из которых является лазерная допплеровская флоуметрия (ЛДФ).

Существует два подхода изучения ЛДФграмм с целью установления свойств микроциркуляторного звена. Первый подход основан на определении средних показателей перфузии кожи, и их изменения в ответ на физиологические нагрузки [2, 3]. Второе направление, развивающееся параллельно, – исследование пульсаций перфузии кожи в различных диапазонах частот. Разным диапазонам частот сопоставлены физиологические механизмы регуляции сосудистого тонуса: эндотелиальный (0,01–0,02 Гц), нейрогенный (0,02–0,052 Гц), миогенный (0,07–0,15 Гц) [4]. Достаточно подробно изученным представляется вопрос об изменении перфузии кожи в ответ на нагрев [1, 5]. Реакция микрокровотока на повышение температуры зависит от режима нагрева (скорости, интенсивности, максимальной величины нагрева), что обусловлено влиянием разных физиологических механизмов. В данной

работе мы нацелены на изучение так называемого безболезненного нагрева до 42 С. В этом случае скорость нагрева составляет порядка 1 °С за 10–15 с, система микроциркуляции успевает подстроиться и обеспечить достаточную теплопроводность, что обеспечивает безболезненный нагрев. При температуре 42 °С происходит максимальная вазодилатация сосудов микроциркуляторного звена. Известно, что в ответ на такой физиологический тест на кривой зависимости перфузии от времени можно выделить несколько фаз:

1)быстрое (10–20 с) увеличение перфузии;

2)незначительный спад, после которого кровоток медленно достигает максимума (порядка 100 с);

3)область плато (в это время кровоток остается квазистационарным);

4)спадание кровотока.

Цель данной работы – изучить реакцию кожного кровотока на нагрев, используя частотно-временное разложение сигналов лазерного допплеровского флоуметра.

Материалы и методы

В обследовании принимали участие 12 здоровых добровольцев, некурящих. Из рациона за 12 часов до исследования были исключены кофеиносодержащие продукты. За два часа до обследования был исключен прием пищи. В течение 15 минут обследуемые люди находились в комфортных условиях в лаборатории.

Для исследования использовался двухканальный лазерный допплеровский флоуметр VMS–LDF (производств Moor Instruments, Великобритания). На предплечье левой руки при помощи двустороннего адгезионного диска прикреплялся стандартный нагревательный элемент, присоединённый к при- бору-контроллеру температуры moorVMS-Heat. Нагреватель moorVMS-Heat позволяет программным образом задавать температуру элемента с точностью до 0,1 °С. В отверстие в нагревательном элементе вставлен датчик лазерного допплеровского флоуметра. Таким образом возможно проводить исследование потока крови в области локального нагрева. Ко второму каналу допплеровского флоуметра был подсоединен датчик VP1T, который позволяет регистрировать перфузию ткани кровью и температуру. При помощи двустороннего адгезионного диска он был прикреплен на предплечье на расстоянии 3 см от первого датчика. Сигналы с флоуметра поступали на персональный компьютер, где при помощи оригинальных алгоритмов вейвлет-анализа [6] проводился частотно-временной анализ полученных записей.

Результаты

На рис.1 показана характерная зависимость кровотока от времени при локальном нагреве. Видно, что при нагреве поток значительно увеличивается, значительно нарастают пульсации кровотока.

Рис. 1. Характерный график зависимости перфузии кожи кровью от времени при локальном нагреве

Изменение спектрального состава ЛДФ сигнала со временем можно проследить по вейвлет-плоскости сигнала (рис. 2). Цветная шкала показывает амплитуду вейвлет-коэффициентов. Видно, что после нагрева увеличивается интенсивность пульсаций во всех диапазонах частот. Для количественной оценки интенсивности пульсаций были использованы медианные значения вейвлет-коэффициентов в заданные интервалы времени в исследуемых диапазонах частот, осреднённые по 12 наблюдениям.

Рис. 2. Изменение спектрального состава ЛДФ сигнала со временем

В результате анализа было обнаружено достоверное нарастание пульсаций в диапазонах частот, соответствующих нейрогенному и миогенному механизмам регуляции сосудистого тонуса. В эндотелиальном диапазоне достоверного нарастания пульсаций не обнаружено.

Обсуждение

В работе проведено исследование реакции кожного микрокровотока на локальный нагрев. Результаты согласуются с работами других авторов [7]. В частности, воспроизведена описанная в литературе реакция на локальный нагрев. Проведен частотно-временной анализ записей ЛДФ, обнаружено достоверное нарастание амплитуды колебания потока крови при нагреве в исследуемых частотных диапазонах.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ-Урал

14-01-96030 р_урал_а.

Список литературы

1.Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови. – М.: Медицина, 2005.

2.Roustit Non-invasive assessment of skin microvascular function in humans: an insight into methods // Microcirculation. – 2012. – Vol. 19(1). – P. 47–64.

3.Roustit M., Blaise S., Millet C., Cracowski J.L. Reproducibility and methodological issues of skin post-occlusive and thermal hyperemia assessed by single-point laser Doppler flowmetry // Microvascular Research. – 2010. – Vol. 79. – Р. 102–108.

4.Kvernmo H.D., Stefanovska A., Bracic M., Kirkeboen K.A., Kvernebo K. Spectral analisis of the laser Doppler perfusion signal in human skin before ans after exercise // Mic. Rec., 1998. – No. 56. – С. 173–182.

5.Johson, Kellog Local thermal control of human cutaneous circulation // J Appl Phys. – 2010. – Vol. 109.

6.Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. – 2-е изд., доп. – Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2010. – 342 с.

7.Jan Y.-K., Struck B.D., Foreman R.D., Robinson C. Wavelet analysis of sacral skin blood flow oscillation to assess soft tissue viability in older adult // Microvascular Research. – 2009. – Vol. 78(2).

УДК 796:612.76

ВАРИАТИВНОСТЬ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ФАЗ СЛОЖНОКООРДИНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

С.А. Моисеев

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта,

Россия, 182100, г. Великие Луки, ул. Юбилейная, 4, moiseyev.s.a.vl@vlgafc.ru

Ключевые слова: индивидуальная вариативность, внутригрупповая вариативность, 3D-видеоанализ, кинематика.

Введение

Большинство исследований механизмов вариативности двигательных действий датируется 1960–1980 гг. прошлого столетия и в основном связаны с ее исследованиями при выполнении циклических движений в спорте. Современное техническое и программное обеспечение при исследовании кинематики движений предоставляет более широкие возможности и дает более высокую точность измерений. В связи с этим нами было предпринято исследование, целью которого явилось изучение вариативности кинематических параметров, регистрируемых с помощью высокоточной оптико-электронной аппаратуры, различных фаз сложнокоординационного двигательного действия на примере гимнастического элемента – сальто назад с места в группировке.

Материалы и методы

В исследовании приняли участие 9 гимнастов спортивной квалификации КМС и МС. Спортсмены выполняли серию сальто назад в группировке с места (по 5 раз) с интервалами отдыха между упражнениями в 1 минуту. Регистрацию внешней структуры движения осуществляли с помощью видеосистемы захвата Qualisys (Швеция). Маркеры располагали на следующих антропометрических точках сегментов тела: вертельной, верхнеберцовой, нижнеберцовой. При помощи специализированного программного обеспечения Qualisys Track Manager рассчитывали следующие кинематические параметры: скорость, ускорение, перемещение, изменение суставного угла в коленном суставе. Все параметры рассчитывались в трехмерном пространстве. Кроме того, регистрировали длительность отдельных фаз движения. Оценивали индивидуальную и внутригрупповую вариативность кинематических параметров в фазе приседания, отталкивания и полета.

Результаты

Скорость перемещения вертельной антропометрической точки составила в среднем 0,80 м/с, ускорение – 26,22 м/с2, перемещение – 229,69 мм.

Верхнеберцовая точка в фазе приседания перемещалась в среднем со скоростью 0,62 м/с, ускорение этой точки составило 21,81 м/с2, а перемещение оказалось 285,50 мм. Для нижнеберцовой точки скорость была 0,20 м/с, ускорение – 13,52 м/с2, перемещение 97,85 мм. Изменение суставного угла, т.е. разница между величиной угла начала и окончания фазы движения, в среднем составило 60 градусов, средняя длительность фазы – 0,35 с.

В фазе приседания коэффициенты внутригрупповой вариативности оказались невысокими (рис. 1). Наибольшие значения отмечались по ускорению верхнеберцовой антропометрической точки – 20,4 %. Вариативность изменения угла в коленном суставе и общей длительности фазы оказалась незначительной – менее 4 %. У некоторых испытуемых вариативность исследуемых параметров оказалась существенно выше, чем внутригрупповая. Например, вариативность ускорения верхнеберцовой точки у испытуемого Л.И. составила более 48 %, а скорости нижнеберцовой точки – более 33 %. В целом данной фазе отмечена более значительная вариативность параметра ускорение, как внутригрупповая, так и индивидуальная.

Рис. 1. Коэффициенты внутригрупповой вариативности кинематических параметров в фазе приседания

При отталкивании скорость вертельной точки составила 2,07 м/с, ускорение – 38,72 м/с2, а перемещение 296,76 мм. Верхнеберцовая точка двигалась со скоростью 1,07 м/с, с ускорением 38,21 м/с2, зарегистрировано перемещение 139,49 мм. Скорость нижнеберцовой точки была равна 0,80 м/с, ускорение – 30,67 м/с2, перемещение – 115,61 мм. Угол в коленном суставе изменялся в среднем на 38 градусов, а длительность фазы оказалась в сред-

нем 0,17 с.

В фазе отталкивания вариативность выполнения серии сальто назад оказалась незначительной. Коэффициенты вариативности здесь не превышали 13 %, что оценивается как низкий уровень (рис. 2). Вариативность изменения суставного угла в коленном суставе и длительность фазы составили 8,4 и 7,5 %. У отдельных испытуемых отмечалась средняя вариативность по отдельным параметрам, например, у испытуемого Л.И. перемещение всех ис-

Обсуждение

В широком смысле вариативность – это изменчивость биологических систем при многократном измерении состояния одной системы либо при сравнении состояний множества систем [1]. Н.А. Бернштейн рассматривал феномен вариативности как механизм совершенствования двигательного навыка, при котором каждая последующая попытка выполнения движения есть не повторение, а выполнение его с улучшением координационной структуры [2]. В.Г. Ткачук отмечал роль вариативности как одного из механизмов срочной адаптации в процессе конкретной деятельности и текущего состояния организма [3]. П.И. Анохин называл вариабельность главным качеством биологической системы, заключающейся в непрерывном и активном переборе степеней свободы множества компонентов в микроинтервалах времени для приближения системы к получению полезного приспособительного результата [4].

Таким образом, применительно к сложнокоординационным движениям человека вариативность является неотъемлемым механизмом адаптации и поиска наиболее эффективного способа выполнения двигательной задачи

вразличных временных интервалах. Так, в наших исследованиях была показана различная вариативность кинематических параметров фаз изучаемого движения разной продолжительности, причем определенной зависимости между временем фазы и величиной вариативности обнаружено не было.

Анализируя полученные результаты, можно отметить существенно большую вариативность подготовительных фаз движения (приседание и отталкивание) в сравнении с фазой полета, что согласуется с описанными в литературе сведениями. Кроме того, оказалось, что внутригрупповая вариативность ниже, чем индивидуальная. Вероятно, это можно объяснить особенностями техники выполнения изучаемого элемента. В целом кинематические параметры движения наиболее вариативными оказались в фазе приседания,

вменьшей степени – в фазе полета.

Список литературы

1.Шалманов А.А. Исследование вариативности спортивной техники (на примере толкания ядра): автореф. дис. ... канд. пед. наук. – М., 1977. – 24 с.

2.Бернштейн Н.А. О построении движений. – М.: Медгиз, 1947. – 254 с.

3.Ткачук В.Г. Механизмы вариативности при управлении точностными движениями человека:

дис. … д-ра биол. наук: 05.13.09. – Киев, 1987. – 382 с.

4.Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. – М.: Медицина, 1975. – 447 с.