VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Представлен обзор исследования механических свойств кожи акустическими методоми. В коже выявлена акустическая анизотропия. Выраженность и преимущественное направление, в котором проявляется анизотропия, обусловлены ориентацией линий натяжения кожи, которые часто называют линиями Лангера. Обобщены экспериментальные результаты по исследованию анизотропии в различных участках тела человека.

Ключевые слова: акустический метод, механическая акустическая анизотропия, линии Лангера, натяжение кожи в различных участках тела человека.

Введение

В последние годы в различных областях медицины используются акустические методы, позволяющими определять скорость (V, м/с) распространения поверхностных волн акустического (звукового) диапазона в коже. Численное значение этого параметра зависит не только от объективных структурных особенностей кожи, но и от частотного диапазона каждого метода, от направления распространения поверхностных волн в ткани. Для объективного сопоставления акустических характеристик кожи необходимо выбрать такие акустические параметры, которые не зависят от указанных факторов. Одним из таких факторов является, по нашему мнению, акустическая анизотропия. Впервые анизотропия, т.е. различие механических свойств кожи по различным направлениям из-за естественного натяжения, была выявлена в работе [11], в которой представлены линии натяжения – линии Лангера. Истинная природа этих линий объясняется по-разному [12], но факт их существования не вызывает сомнения. Исследования кожи различными механическими методами так же подтвердили наличие в коже анизотропии [10].

Целью данной работы являлось обобщение исследований акустической анизотропии кожи человека в различных областях тела и выявления ее взаимосвязи с направлением линий естественного натяжения кожи – линий Лангера. Использованы данные, полученные в различных областях медицины.

Методы и объекты исследования

Методы

Исследования механических свойств кожи осуществлялось с помощью приборов: акустический анализатор тканей (АСА) [13], акустический диагностический медицинский прибор АМДП [5], рис.1

а) б)

Рис.1. Приборы, в которых реализован акустический метод: а)АСА; б) АМДП

При контакте излучателя прибора с кожей возникают изгибные колебания излучающего элемента. Они вовлекают в движение участки исследуемой среды в поверхностном слое объекта, по которым распространяется поверхностное сдвиговое возмущение (волна). Поверхностная волна воспринимается принимающим элементом и с него поступает в вычислительное устройство. Здесь определяется время прохождения возбуждения t. Значение скорости распространения поверхностной волны V вычисляется по формул V = L/t, где L – расстояние между элементами. Полученные значения представляются на цифровом индикаторе. Приборы имеют высокую точность и воспроизводимость измерений со стандартным отклонением меньше 2%. Методика измерений неинвазивна, приборы портативны и удобны в применении. Процедура одного измерения не превышает 10 с.

В каждой точке измерения скорости V проводили во взаимно перпендикулярных направлениях (У) и (Х). Для количественной оценки степени выраженности акустической анизотропии был использован коэффициент акустической анизотропии, который вычислялся по формуле (К = V_у/V_х – 1), [6]. Коэффициент анизотропии принимался за положительный (К+), если V_у > V_х; при V_у  V_х коэффициент принимался за отрицательный (К-).

Объекты исследования: полимерные модели, кожа тела человека.

1. Полимерные модели

В качестве композитных моделей, имитирующих некую структурную организацию подлежащих слоев, использовались агар-агаровые гели [2], в поверхность которых на глубину 0,3-0,5 мм введены параллельно поверхности геля лавсановые нити. Нити толщиной 0,1 мм вводились параллельно друг другу таким образом, чтобы плотность упаковки (n) (число нитей на ширину щупа) составляла: 5,10,20 нитей.

2. Кожа тела человека

В настоящей работе обобщены результаты, полученные для кожи добровольцев (возраст 20,5  2,2 года) с нормальным телосложением. У них исследовалась кожа в тех областях тела, в которых проводили измерения контрольной группы при решении тех или иных задач для различных направлений медицины. В каждом конкретном случае выбиралась определенная система точек для сканирования (ниже подробно указано для каждой области). Статистическая обработка результатов производилась по распределению Стьюдента ( Р = 0,95).

Экспериментальные результаты

Анизотропия в полимерных моделях

В работе [1] в композитных гелевых моделях измерения скорости производили в двух взаимно перпендикулярных направлениях: при распространении вдоль нитей (направление У) и перпендикулярно к ним (направление Х). Данные приведены в табл. 1.

Таблица 1. Плотность упаковки нитей и коэффициент анизотропии.

Плотность упаковки нитей (n)	0	5	10	20
Скорость Vу, м/с	57	60	80	100
Скорость Vх, м/с	57	55	52	48
Коэффициент анизотропии (К+)	0	+0,09	+0,53	+1,08

Результаты свидетельствуют о том, что наличие в поверхностном слое анизотропных структур оказывает влияние на величину скорости. При этом геометрическая анизотропия подлежащей структуры приводит к соответствующей анизотропии по параметру V. Увеличение выраженности преимущественного направления (увеличение количества продольно расположенных нитей на единицу длины) приводит к возрастанию величины V_у в этом направлении. Величина скорости V_х в направлении, перпендикулярном преимущественному направлению распространения волны, изменяется незначительно, при этом наблюдается тенденция к уменьшении V_х. При этом имеет место положительная акустическая анизотропия (К+), степень выраженности которой возрастает с увеличением плотности нитей.

Этими модельными исследованиями однозначно доказано, что акустическая анизотропия отчетливо проявляется в материале с выраженной ориентированной неоднородностью.

Линии Лангера

Использовано стандартное расположение линий Лангера по [4], представленное на рис. 2. На этом рисунке также показана система координат: ось «У» совпадает с вертикальной осью тела человека, ось «Х» - перпендикулярна ей. Эта схема использовалась нами для сопоставления линий натяжения с акустической анизотропией. Показано проявление акустической анизотропиив в тех областях, которые исследованы в различных работах к настоящему времени.

2. Линии Лангера, области сканирования и проявление акустической анизотропии

Рассмотрим некоторые области более подробно

Акустическая анизотропия кожи на конечностях

Предплечье

При акустическом сканировании кожи на внешней и внутренней поверхности предплечья у добровольцев контрольных групп (количество N=50) выявлена положительная акустическая анизотропия (К+)=0,15. [3]. Акустическая анизотропия этого участка кожи меняется, например при псориазе: коэффициент положительной анизотропии визуально здоровой кожи при прогрессирующей стадии возрастает на 25-30% [Нижние конечности

Для обследования нижних конечностей была выбрана кожа (контрольная группа пациенток при хирургической коррекции мягкотканых деформаций нижних конечностей, [9]) в средней части голени на медиальной стороне (N=16). Для косвенной оценки механических свойств кожи в этом исследовании использовался также медицинский измеритель (микрометр), позволяющий определять толщину кожной складки d. Толщина складки также определялась во взаимно-перпендикулярных направлениях.

Значения скоростей Vу и Vх , измеренных в этой области различны, однако преобладает соотношение V_y > V_x, т.е преобладает положительная анизотропия. Величина толщины складки d в направлении У в большинстве случаев выше, чем в направлении Х.

В табл. 2 представлено процентное соотношение этих параметров.

Таблица 2. Различия в толщине складки d и скорости V по взаимно-перпендикулярным направлениям.

Различие в толщине складок: dу > dх		Анизотропия (К+), Vy > Vx
Правая нога	Левая нога		Правая нога	Левая нога
71%	86%		79%	88%

Видно, что и для толщины складки, и для скорости большие значения параметров проявляются в вертикальном направлении. Положительная анизотропия проявляется в коже голени: у правой ноги (К+) проявляется в 79 % случаев, у левой ноги - в 88 % случаев. Полученные результаты соответствуют вертикальной ориентации линий Лангера в коже голени нижних конечностей.

Область подколенного сгиба характеризуется наличием горизонтальных складок, которые отчетливо видны непосредственно при сгибе. Эта область в норме подробно исследована в контрольных группах добровольцев при изучении вопросов, связанных с псориазом, нейродермитом, производственным дерматитом (N=94) [6]. В области подколенного сгиба справа и слева имеет место отрицательная анизотропия в 85% случаев.

Акустическая анизотропия кожи туловища

Акустическое сканирование кожи на туловище показало следующее.

В области верхней части лопатки у 87% добровольцев (N =30) проявляется отрицательная анизотропия: К-, (V_х > V_у).

Сканирование кожи в области поясницы и живота осуществлялось у мужчин (N=30) по 11 точкам, расположенным вдоль горизонтальной линии на расстоянии 2 см друг от друга, рис.2.

В области поясницы у 83% добровольцев без каких либо нарушений в этой области (таких было 25 человек) проявлялась отрицательная анизотропия (К-) в каждой точке сканирования. У некоторых добровольцев (5 человек), имеющих нарушения в этой области (грыжа, скалиоз, ушибы) картина резко менялась – четкого проявления анизотропии не наблюдалось.

В области живота сканирование также проводилось по линии сканирования, расположенной на 2 см выше уровне пупка, рис.2. У 80% добровольцев (таких было 24 человека) во всех точках проявлялась отрицательная анизотропия (К-).

У женщин (100%) в области субмаммарной линии (контрольная группа пациенток при маммопластике (N=20) [7]) справа и слева проявлялась в каждой из 7 точке отрицательная акустическая анизотропия: (К-), (V_х > V_у).

Совпадение выраженности акустической анизотропии с направлением линий Лангера имеет место в указанных областях обследованной кожи туловища.

Акустическая анизотропия кожи молочной железы

Механические свойства кожи молочной железы важны при диагностики многих патологий. В работе [8] с диагностической целью исследованы акустические свойства кожи молочной железы. На схемах линий Лангера нет «картинки» для кожи молочной железы. Поэтому была предложена специальная схема сканирования. На поверхности кожи были выбраны 6 линий сканирования (рис.3), на каждой из которых нанесены по 3 точки (А,В,С), равноотстоящих от ареола.

Рис.3. Схема сканирования кожи молочных желез

В каждой точке производилось измерение скорости во взаимно перпендикулярных направлениях, выбранных в соответствии с предложенной схемой сканирования: ось (У) совпадала с каждой из 6 линий сканирования, ось (Х) была перпендикулярна ей.

а) Линии на коже верхней поверхности молочной железы

• Линия 1 – центральная верхняя линия, проходящая по средне-ключичной линии выше ареолы с соском.

• Линия 2 – медиальная линия, направленная под углом 45⁰ к линии 1.

• Линия 6 – латеральная линия, направленная под углом 45^о к линии 1, в сторону подмышечной впадины.

б) Линии на коже нижней поверхности молочной железы

• Линия 4 – центральная нижняя линия, проходящая по средне-ключичной линии ниже ареолы с соском.

• Линия 3 – медиальная нижняя линия, направленная под углом 45^о к линии 4.

• Линия 5 – латеральная нижняя линия, направленная под углом 45^о к линии 4.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что значения скорости в точках сканирования последовательно возрастают от центра к периферии почти по всем направлениям: V_А

Код для цитирования: Скопировать