Актуальність
МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВЯ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ О.О. БОГОМОЛЬЦЯ
ЗЕНІН ОЛЕГ КОСТЯНТИНОВИЧ
УДК 611.13
МОРФО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ОРГАНІЗАЦІЇ АРТЕРІАЛЬНОГО РУСЛА ВЕЛИКОГО КОЛА КРОВООБІГУ
14.03.01 - нормальна анатомія
Автореферат дисертації
на здобуття наукового ступеня
доктора медичних наук
КИЇВ - 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому державному медичному університеті ім. М. Горького МОЗ України (м. Донецьк).
Науковий консультант: доктор медичних наук, професор Кір`якулов Георгій Степанович, Донецький державний медичний університет ім. М. Горького (м. Донецьк), завідувач кафедри анатомії людини.
Офіційні опоненти:
- доктор медичних наук, професор Черкасов Віктор Гаврилович, Національний медичний університет імені О.О. Богомольця МОЗ України (м. Київ), завідувач кафедри нормальної анатомії людини;
- доктор медичних наук, професор Федонюк Ярослав Іванович, Тернопільська державна медична академія ім. І.Я. Горбачевського МОЗ України (м. Тернопіль), завідувач кафедри нормальної анатомії людини;
- доктор медичних наук, професор Яблучанський Микола Іванович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна МОН України (м. Харків), завідувач кафедри внутрішніх хвороб, декан факультету фундаментальної медицини.
Провідна установа: Луганський державний медичний університет МОЗ України (м. Луганськ), кафедра нормальної анатомії людини.
Захист відбудеться “_7_” _квітня__2005 р. об. 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.003.06 при Національному медичному університеті імені О.О. Богомольця МОЗ України (03057, м. Київ, проспект Перемоги, 34).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного медичного університету імені О.О. Богомольця (03057, м. Київ, вул. Зоологічна, 1).
Автореферат розісланий “_04_”___березня______2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.003.06
доктор медичних наук, професор Грабовий О. М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність. Вивчення загальних морфо-функціональних принципів організації артеріального русла великого кола кровообігу є актуальною науковою проблемою, оскільки судинні захворювання значною мірою обумовлюють смертність та інвалідизацію населення (Дзяк Г.В., 1998; Кирьякулов Г.С., 2000). Висока частота зустрічаємості й особлива тяжкість цих захворювань вимагають вдосконалення знань у цій галузі й розробки нових, ефективніших способів їх діагностики та лікування, а також прогнозування результатів хірургічної корекції гемодинамічних розладів (Возиянов А. Ф., 2000; Скрипніков М. С., 2000; Антипов Н. В., 2001; Соколов В. В., 2003). Сьогодні стає очевидним, що прогрес медичної науки буде пов'язаний не тільки і не стільки з подальшим накопиченням фактичних знань, скільки з його творчим осмисленням (Бобрик И. И., Шевченко Е. А., Черкасов В. Г., 1991; Яблучанский Н. И., 2001, Пальцев М., 2004). У світлі сказаного вище слід додати, що “математична теорія” є найвдалішою формою організації знань, основою наукових досягнень (Тополов П. А., 2000; Кизилова Н. Н., 2004). Тому створення узагальнювальної теорії будови та пошук основних морфо-функціональних принципів організації артеріального русла великого кола кровообігу слід проводити в середовищі кількісних структурних закономірностей, що впливають на гемодинамічний опір артеріальної системи, головною функцією якої є транспортна. Це сприятиме вирішенню актуальних проблем практичної медицини. По-перше, сучасні цифрові технології прижиттєвої візуалізації артеріального русла відкривають нові можливості для діагностики його патології. Відсутність на сьогоднішній день кількісних критеріїв норми будови артеріальної системи істотно стримує розвиток цього перспективного напрямку клінічної медицини (Квятковская Т. А., 2000; Гуч А. А., 2000). По-друге, наявні способи оперативного лікування артеріальних стенозів (найчастішої причини гемоциркуляторних розладів) зводяться до реконструкції русла шляхом формування нових обхідних шляхів або механічного розширення звужених ділянок – балонної ангіопластики (БА) (Бокерея Л. А., 2002; Волков О. И., 2002). Зараз успіх процедури БА багато в чому випадковий, оскільки відсутні методи об'єктивного контролю за поведінкою артерії у разі великих деформацій і руйнування. Очевидною є нестача фактичних відомостей про її біомеханічні властивості, зокрема пружність (Бакланов Д. В., 1999; Козлов К. Л., 2000). По-третє, оперативні методи корекції патологічно зміненого артеріального русла, які зараз використовуються, не завжди дають бажані результати (Покровский А. В., 2002; Olufsen M. S., 2002). Це обумовлене тим, що в артеріальній системі при певних наближеннях діють закони, аналогічні законам в електричному ланцюгу, і зміна опору однієї ділянки неминуче призводить до зміни струму не тільки в цій ділянці, але й у системі в цілому (Pedly T. J., 1999; Leuprecht A., 2001). Тому в умовах множинного ураження судин, що майже завжди спостерігається при атеросклерозі (Pennati G., 2000), лікар не може досить точно передбачити, які зміни кровообігу відбудуться у разі тієї чи іншої оперативної допомоги, а значить, не може обрати оптимальний варіант операції для кожного конкретного хворого. Вирішення проблеми визначення гемодинамічного опору артеріального русла пов'язане з подоланням великих труднощів (Cassot F., 2000; Winberg N., 2000; Elstad M., 2002). Для цього необхідно знати геометрію й топологію, а також пружні характеристики кожної ланки артеріальної системи людини. У вітчизняній і зарубіжній літературі є лише фрагментарні дані про деякі кількісні параметри окремих ділянок артеріальної системи, що обумовлене труднощами реєстрації довжини, діаметра й топологічних характеристик дрібних артерій, особливо інтраорганних. Оптимальним способом рішення цього питання є математичне моделювання розподілу артерій до рівня мікроциркуляторного русла (Zamir M., 2001; Gafiychuk V.V., 2001, Schreiner W., 2002). При цьому необхідно враховувати загальні та специфічні морфо-функціональні закономірності, що лежать в основі організації артеріальних дерев різних органів. Недостатньо вивченими залишаються пружні властивості артерій. Це пов'язане з тим, що в процесі біомеханічних випробувань артерія поводиться спочатку як пружне тіло, а з певного моменту реагує на деформацію як пластичне. Методів дослідження окремо пружного та пластичного компонентів нині не існує (Okamoto R. J., 2002; Зенін О. К., 2003).
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є фрагментом науково-дослідних тем кафедри анатомії людини Донецького державного медичного університету ім. М. Горького: “Принципи оптимальності будови серцево-судинної системи” (№ 0195V009642, 1995-1997 р.р.) та "Перспективи удосконалення методу балонної ангіопластики на підставі анатомо-експериментального дослідження та математичного моделювання кровообігу, а також розробки пристрою для його здійснення" (№ 0100U000034 2000–2002 р.р.), які проводилися на кафедрі під керівництвом д.мед.н., проф. Г. С. Кір`якулова, відповідальний виконавець – к.мед.н., доц. О. К. Зенін.
Мета й задачі дослідження. Метою дослідження стало встановлення морфо-функціональних принципів організації артеріального русла великого кола кровообігу, які визначають його гемодинамічний опір в умовах норми.
Для досягнення поставленої мети було визначено такі задачі:
1. Вивчити морфометрічні характеристики екстраорганних артерій великого кола кровообігу, які впливать на гемодинамічний опір.
2. Вивчити морфометрічні закономірності артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу (скелетного м'яза, серця, нирок, головного мозку, печінки, селезінки, тонкої і товстої кишок), які впливають на гемодинамічний опір.
3. Створити математичні моделі, що описують закономірності будови артеріальних русел зазначених органів, які визначають гемодинамічний опір.
4. Розробити методику, створити експериментальний пристрій та визначити величину пружнього компонента біомеханічних властивостей (ПКБВ) артерії.
5. Створити математичну модель артеріальної гемодинаміки великого кола кровообігу, засновану на: морфометричних даних про екстраорганну частину артеріального русла, математичних моделях структури артеріальних русел досліджених органів, кількісній характеристиці ПКБВ артерій різного типу, відомих гемодинамічних теоріях, і довести адекватність моделі шляхом дослідження в експерименті її поведінки в умовах норми і стенозів крупних артерій.
Об'єкт дослідження: кількісна анатомія екстра- та інтраорганних частин артеріального русла великого кола кровообігу, кількісні характеристики ПКБВ артерій різного типу, математичні моделі структури артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу, математична модель артеріальної гемодинаміки великого кола кровообігу, заснована на морфометричних даних про екстраорганну частину русла, математичних моделях структури русел зазначених органів, кількісних характеристиках ПКБВ артерій різного типу і відомих гемодинамічних теоріях.
Предмет дослідження: морфо-функціональні принципи організації артеріального русла великого кола кровообігу, які визначають його гемодинамічний опір в умовах норми.
Методи дослідження: ультразвукове дослідження екстраорганних артерій великого кола кровообігу, виготовлення корозійних препаратів артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу, морфометрія екстра- та інтраорганних артерій, дослідження in vitro кількісних характеристик ПКБВ артерій різного типу, статистична обробка отриманих даних, математичне моделювання структури артеріальних русел досліджених органів, математичне моделювання артеріальної гемодинаміки великого кола кровообігу, засноване на кількісних даних про екстраорганну частину артеріального русла, моделях структури артеріальних русел функціонально-різних органів, кількісних характеристиках ПКБВ артерій різного типу й відомих теоріях гемодинаміки.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено комплексне дослідження кількісних закономірностей будови нормальних артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу, які визначають його гемодинамічний опір. Сформульовани нові загальні та індивідуальні морфо-функціональні принципи організації артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу (залежно від виду русла – циклічного, деревоподібного; форми деревоподібного русла – магістральної, розсипної; типу русла – лептоареального та евріареального; виду органа). Вперше запропоновано новий основний морфо-функціональний принцип, що лежить в основі будови нормального артеріального русла людини: нормальне артеріальне русло людини побудоване відповідно до принципу узгодження величин МСГО окремих його ділянок. Вперше запропоновано нові наукові терміни: морфологічна складова гемодинамічного опору (МСГО) – величина, що кількісно характеризує гемодинамічний опір, обумовлений морфометричними особливостями сегмента артерії або артеріального розгалуження, або артеріального русла в цілому; довжина артерії – лінійна конструкція, що складається з дочірніх сегментів з більшим діаметром від заданої точки до рівня мікроциркуляторного русла; пружний компонент біомеханічних властивостей (ПКБВ) артерії – величина, що кількісно характеризує пружні властивості. Вперше створено математичну модель циклічних артерій тонкої та товстої кишок і запропоновано нові математичні моделі деревоподібних артеріальних русел функціонально-різних органів. Вперше розроблено методику та пристрій для її здійснення, які дозволяють досліджувати кількісні характеристики ПКБВ артерії, встановлено наявність сильної достовірної залежності між значенням ПКБС артерії та величинами її геометричних параметрів. На базі морфометричних даних про екстраорганну частину артеріального русла, математичних моделей структури артеріальних русел функціонально-різних органів, кількісних характеристик ПКБВ артерій різного типу, відомих гемодинамічних теоріях створено математичну модель артеріальної гемодинаміки великого кола кровообігу й доведено адекватність моделі шляхом дослідження в експерименті її поведінки в умовах норми та стенозів крупних артерій.
Практичне значення одержаних результатів. Сформульовані загальні та індивідуальні морфо-функціональні принципи організації артеріальних русел функціонально-різних органів великого кола кровообігу сприятимуть кращому розумінню законів, що лежать в основі їх будови й функціонування. Встановлені кореляційні й регресійні залежності можуть використовуватися як формалізований оцінний еталон нормальної побудови русел зазначених органів. Кількісні дані про ПКБВ артерії можуть служити відправною точкою для подальших досліджень її механічних властивостей і поведінки при дилатації і руйнуванні. Використання створеної математичної моделі гемодинаміки в умовах експерименту на комп'ютері надасть можливість отримання нових відомостей про різні аспекти гемоциркуляції. Застосування розробленого апаратно-програмного комплексу дозволить проводити експериментальне дослідження біомеханічних властивостей судин та інших порожнистих органів в автоматичному режимі з об'єктивним стеженням за процесом їх руйнування. Застосування в майбутньому в клінічних умовах математичних моделей побудови артеріальних русел функціонально-різних органів дозволить в автоматичному режимі діагностувати патологію артеріальних русел органів, що досліджували, прогнозувати об'єм і площу ділянки, в яку постачається кров, судити про адекватність кровопостачання, зокрема використання математичної моделі артеріального русла скелетного м'яза дозволить раціонально планувати об'єм шкірно-м'язового клаптя, що трансплантується. Кількісні дані про ПКБВ артерії дозволять прогнозувати її поведінку при деформації (наприклад, при проведенні балонної дилатації) та руйнуванні, сприятимуть створенню нових матеріалів для штучних протезів. Практичне застосування математичної моделі гемодинаміки в умовах експерименту на комп'ютері надасть можливість об'єктивного планування заходів щодо реконструкції патологічно зміненого артеріального русла. Застосування апаратно-програмного комплексу для проведення БА дозволить автоматизувати цю процедуру, що допоможе знизити ймовірність внутрішньоопераційних і ранніх післяопераційних ускладнень.
Особистий внесок здобувача. Автором проведений інформаційний пошук та аналіз літературних джерел, самостійно зібраний та оброблений матеріал дослідження, зроблена статистична обробка та аналіз отриманих даних. Інтерпретація отриманих результатів, основні положення та висновки належать авторові. Співавтори опублікованих робіт надавали консультативну допомогу з деяких методичних і теоретичних питань.
Апробація результатів дослідження. Основні положення роботи було представлено на наукових конференціях, з'їздах, конгресах, симпозіумах: XI областній науковій конференції морфологів (Донецьк, 1994), науковій конференції анатомів, гістологів, ембріологів і топографоанатомів України, присвяченій 100-річчю з дня народження А. П. Любомудрова “Актуальні проблеми функціональної анатомії судинної системи” (Львів, 1995 р.), І Міжнародному конгресі з інтеграційної антропології (Тернопіль, 1995 р.), науковому симпозіумі, присвяченому 80-річчю кафедри анатомії ДГМА “Актуальні питання морфології серця” (Дніпропетровськ, 1996 р.), науковій конференції “Актуальні проблеми медицини Донбасу” (Донецьк, 1996 р.), науковій конференції “Актуальні питання педагогіки, експериментальної і клінічної медицини” (Донецьк, 1997 р.), Міжнародному симпозіумі “Принципи пропорції, симетрії, структурної гармонії і математичного моделювання в морфології” (Вінниця, 1997 р.), виїзній сесії Української академії наук національного прогресу, присвяченій 40-річчю Тернопільської медичної академії ім. І. Я. Горбачевського (Тернопіль, 1997 р.), ІІ Національному конгресі анатомів, гістологів, ембріологів і топографоанатомів України “Актуальні питання морфології” (Луганськ, 1998 р.), науковій конференції Anatomischen Gesellschaft Versammlung (Гамбург, 1999 г.), науковій конференції з міжнародною участю “Мікроциркуляція та її вікові зміни” (Київ, 1999 р.), ІІІ Міжнародному конгресі з інтеграційної антропології (Бєлгород, 2000 р.), науковій конференції Arbeitstagung Anatomischen Gesellschaft in Wurzburg (Вюрсбург, 2001 г.), науковій конференції Arbeitstagung Anatomischen Gesellschaft in Wurzburg (Вюрсбург, 2001 г.), Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ” (Донецьк, 2002), науковій конференції Versammlung der Anatomischen Gesellschaft (Мюнхен, 2003 г.), Міжнародній конференції “Саміт нормальних анатомів України і Росії”, присвяченій року Росії в Україні (Тернопіль, 2003 р.), науковій конференції “Пироговські читання” (Вінниця, 2004 р.), науковій конференції Versammlung der Anatomischen Gesellschaft (Мюнхен, 2004 г.).
Результати дослідження впроваджено в наукову й педагогічну діяльність кафедр нормальної анатомії Донецького державного медичного університету, Дніпропетровської державної медичної академії, Смоленської державної медичної академії, Луганського державного медичного університету, Харківського державного медичного університету, Ужгородського національного університету, Вінницького державного медичного університету, кафедр оперативної хірургії і топографічної анатомії Донецького державного медичного університету, Буковинської державної медичної академії, Дніпропетровської державної медичної академії, Луганського державного медичного університету, Дніпропетровської державної медичної академії; кафедри радіології Донецького державного медичного університету, кафедри медичної фізики і медичної апаратури з курсом клінічної інформатики Донецького державного медичного університету, ЦНДЛ Донецького державного медичного університету, кафедр біофізики, а також нерівноважних процесів, метрології і екології Донецького національного університету, кафедр автоматизованих систем управління і опору матеріалів Донецького національного технічного університету, кафедри теоретичної механіки Харківського національного університету, судинного відділення Інституту невідкладної і відновної хірургії ім. В.К. Гусака АМН України.
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 1 монографію; 29 статей у наукових журналах, 25 статей і тез у збірках наукових робіт і матеріалах з'їздів, конференцій, конгресу, симпозіумів і саміту, одержано 3 патенти і 8 посвідчень на раціоналізаторські пропозиції.
Структура і обсяг дисертації. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 468 сторінках друкованого тексту, з яких 271 сторінок основного тексту. Робота складається з таких розділів: введення, огляд літератури, матеріал і методи дослідження, 10-ти розділів власних результатів дослідження, обговорення та аналізу одержаних даних, висновки, список літературних джерел. Роботу ілюстровано 135 рисунками й 88 таблицями. Літературні джерела містять 413 робіт, з яких 223 надруковано кирилицею, 190 – латиницею, що займає 40 сторінки тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Матеріал і методи дослідження. Дослідження проведено на 336 екстраорганних артеріальних сегментах, 159 артеріальних розгалужень великого кола кровообігу 5-ти тіл здорових добровільців обох статей (чоловіки – 3, жінки – 2), вік яких коливався від 18 до 42 років; 14746 інтраорганних артеріальних сегментах, 6990 артеріальних розгалужень, 112 корозійних препаратів, 39 функціонально-різних органів великого кола кровообігу (скелетний м'яз, серце, нирка, головний мозок, печінка, селезінка, тонка і товста кишки) осіб обох статей (чоловіки – 35, жінки – 4), що загинули від асфіксії у віці від 37 до 65 років; 58 відрізках артерій (підключичних, загальних сонних, коронарних артерій серця, ниркових, плечоголовного стовбура, стегнових, зовнішніх і внутрішніх клубових) осіб обох статей (чоловіки – 47, жінки – 11), що загинули від травми чи асфіксії у віці від 25 до 90 років; ангіограмах артерій окремих ділянок людського тіла 5 пацієнтів (5 чоловіків віком від 45 до 56 років) з різним ступенем стенозів до і після процедури БА, а також даних гемодинаміки, одержаних у цих же пацієнтів інтраопераційно; 15 оригінальних математичних моделях структури інтраорганних артеріальних русел зазначених органів; оригінальній математичній моделі артеріальної гемодинаміки великого кола кровообігу. Для отримання представницької сукупності користувалися методикою багатоетапної гніздової вибірки. Як методи математичного планування оптимального обсягу вибірки даних використовували дисперсійний аналіз за Автанділовим Г. Г., а також вирішували зворотне завдання визначення довірчих меж медіани (Гайдишев И., 2001). Морфометрію та дослідження кровотоку в екстраорганних артеріях проводили шляхом допплерівського сканування за допомогою ультразвукового триплексного сканера “Sonolaine Elegra Advanced” Siemens. Корозійні препарати артеріальних русел виготовляли за оригінальною методикою (патент №42409А від 15.10.2001. Бюл.№9) з використанням ін`єкційної маси АКР-15. Дослідження кількісних характеристик ПКБВ артерії проводили за допомогою апаратно-програмного комплексу “Visual” і оригінальних авторських методик (патент № 34061 від 15.02.2001, Бюл. № 1, патент №38704А від 15.05.2001, Бюл. № 4, раціоналізаторські пропозиції № 4268, 06.03.85., № 4269, 06.03.85., № 4613, 11.12.86., № 4684, 09.01.87., № 4714, 28.05.87., № 4926, 17.03.88., № 5132, 22.12.88., № 5273, 24.05.89. Ангіограми артерій окремих ділянок людського тіла у пацієнтів з різним ступенем стенозу до та після процедури БА, а також величини гемодинамічних параметрів одержано інтраопераційно за допомогою рентгенангіографічених пристроїв “C-2 Polydiagnost Larc” Philips та “Angiostar” Siemens. На початку дослідження екстра- та інтраорганні частини артеріального русла великого кола кровообігу розглядали як сукупність взаємопов'язаних артеріальних сегментів. Визначали: Gr – номер генерації, порядковий номер знов утвореної групи артерій, до якої належить цей сегмент (під “артерією” мали на увазі лінійну конструкцію, що складається з дочірніх сегментів з більшим внутрішнім діаметром; i – рівень розподілу, ряд знов утворених сегментів; D – внутрішній діаметр сегмента (мм); L – довжину сегмента, відстань між двома найближчими точками галуження (мм); FF=2L/D – фактор форми (у.о.) (Olufsen M.S., 2000); H – площу поперечного перетину сегмента: H=ЧD2/4 (мм2); S – площу внутрішньої поверхні сегмента: S=ЧDЧL (мм2); V – об'єм внутрішньої порожнини сегмента: V=HЧL (мм3); МСГО сегмента: Ro=128ЧL/рЧD4 з рівняння Пуазейля (мм-3). Далі русло розглядали, як конструкцію, що складається з взаємопов'язаних розгалужень. Які утворють - сегмент, що входить в точку розгалуження (материнський); сегменти, які виходять з неї (дочірні) і власне точку розгалуження. Визначали: CM – коефіцієнт збільшення кількості сегментів, який дорівнює кількості дочірніх гілок (у.о.); Di – внутрішній діаметр материнського сегмента (мм); dmax – внутрішній діаметр дочірнього сегмента з більшим діаметром (мм); dmin – внутрішній діаметр дочірнього сегмента з меншим діаметром (мм); – значення ступеня з рівняння: Di =dmax + dmin (у.о.) (Murray`s law – Zamir M, 2001); (asymmetry ratio) – коефіцієнт асиметрії дочірніх гілок =(dmin/dmax)2 (у.о) (Zamir M., 2001); (area ratio) – коефіцієнт розгалуження: =(dmax2 + dmin2)/Di2 (у.о.) (Zamir M., 2001); Di/dmax, Di/dmin – коефіцієнти розподілу материнського сегмента (у.о); Li – довжину материнського сегмента (мм); l1 – довжину дочірнього сегмента з більшим діаметром (мм); l2 – довжину дочірнього сегмента з меншим діаметром (мм); Li/l1, Li/l2 – коефіцієнти відношення довжини материнського сегмента до довжини дочірнього з більшим та меншим діаметрами (у.о.); l2/l1 – коефіцієнт відношення довжини дочірнього сегмента з меншим діаметром до довжини дочірнього сегмента з більшим діаметром (у.о.); R – МСГО материнського сегмента: R=128ЧLi/ЧDi4 (мм-3); r1, r2 – МСГО дочірнього сегмента з більшим та меншим діаметрами: r1=128Чl1/Чdmax4 та r2=128Чl2/Чdmin4 (мм-3); z – суму МСГО дочірніх сегментів, що становлять дихотомічне розгалуження відповідно до правила складання опорів паралельно сполучених судин: z=(r1Чr2)/(r1+r2) (мм-3); Z – загальне МСГО дихотомічного розгалуження відповідно до правила складання опорів послідовно сполучених судин: Z=R+z (мм-3); – показник різниці між значенням МСГО материнського сегмента й сумою значень МСГО дочірніх гілок: = R–z (мм-3). Для відновлення частково втрачених в процесі вимірювань даних було розроблено оригінальну комп'ютерну програму – Vasculorestore. В результаті роботи програми розраховували величини глобальних показників русел органів, що досліджували: E – кількість всіх сегментів, що мають мінімальний діаметр (0,1 мм) русла, утвореного материнською артерією з початковим сегментом, у якого внутрішній діаметр дорівнює Di (штук); Lv – довжину материнської артерії, складеної з дочірніх сегментів з більшими внутрішніми діаметрами (з гілок з dmax), від початкової точки (з Di) до рівня мікроциркуляторного русла (мм); Lo – суму довжин всіх сегментів русла, утвореного материнською артерією з Di (мм); Vr – суму внутрішніх об'ємів всіх сегментів русла, утвореного материнською артерією з Di (мм3); Rr – МСГО русла, утвореного материнською артерією з Di (мм-3). Дослідження кількісних характеристик ПКБВ артерії здійснювали шляхом введення рідини в порожнину досліджуваного сегмента артерії з автоматичним вимірюванням у реальному часі величини її тиску і об'єму, а також реєстрацією сигналів акустичної емісії (АЕ), за якими визначали межу пружності досліджуваного сегмента артерії. Визначали товщину стінки артерії, величину її внутрішнього діаметра, наявність об'єктивних ознак склеротичного пошкодження стінки. Величини показників, що кількісно характеризують ПКБВ артерії (модуль Юнга, коефіцієнт об'ємної пружності), розраховували виходячи зі співвідношення тиск-об'єм у момент досягнення межі пружності – появи перших сигналів АЕ. Статистична обробка включала обчислення основних моментів розподілу випадкових величин. Якщо розподіл величин параметрів, які досліджували не відрізнявся від нормального закону розподілу, використовували параметричні статистичні методи, в іншому випадку - використовували непараметричні методи. Для вирішення питання про те, які змінні відрізняють виниклі сукупності, застосовували дескримінантний аналіз. Дисперсійний аналіз використовували для дослідження значущості відмінності між середніми значеннями показників. Для оцінки ступеня адекватності регресійних моделей проводили аналіз залишків на відповідність нормальному закону розподілу. Використовували ліцензійні пакети прикладних статистичних програм – STATISTICA 5.11 і Microsoft EXEL 6.0. На заключному етапі дослідження моделювання графа артеріальних русел кожного з органів, що досліджували, робили за допомогою оригінальних математичних моделей і створених на їх базі комп'ютерних програм Vasculogenerator і CiclGenerator. Для графічного подання даних було створено оригінальні комп'ютерні програми Vasculograph (для деревоподібних і циклічних). Кількісні дані про екстра- та інтраорганні частини артеріального русла, величину показника ПКБВ артерії, а також рівняння відомих гемодинамічних теорій руху крові використовували для розрахунку пуазейлівського гемодинамічного опору, повного вхідного імпедансу артеріального русла великого кола кровообігу та окремих його ланок, об'ємної швидкості потоку крові й тиску в нормі та при стенозах деяких крупних артерій за допомогою спеціально розробленої оригінальної комп'ютерної програми Simulation.
Результати дослідження та їх аналіз. Встановлено, що екстра- та інтраорганні частини артеріального русла великого кола кровообігу людини організовані відповідно до подібних морфо-функціональних принципів. Візуальна оцінка дозволяє виділити 2 основні види – деревоподібні (схожі на дерева) і циклічні (створюють сітку). Деревоподібні - можна поділити на дві крайні форми – магістральну (одноканальну) й розсипну (багатоканальну) (Фоміних Т.А., 2003). Магістральна форма притаманна артеріальним руслам: скелетного м'яза, серця, головного мозку, деревоподібних артерій тонкої та товстої кишок, розсипна – нирки, печінки й селезінки.
Відповідно до 1-ї задачі (розділ 3) встановлено, що граф екстраорганної частини русла є, в основному, деревоподібною структурою і має магістральну форму. Артеріальні сегменти розташовувалися на 17 рівнях розподілу і складали 5 генерацій. Середній кінцевий діаметр артерій містився в межах від 1,5 до 1,7 мм. Кількість кінцевих артерій складала 177 шт., тобто 53%. Загальний внутрішній об'єм досліджених артерій складав 586414 мм3, або 586 мл. Для кожного обстежуваного це приблизно 117 мл - 13% від загального об'єму артеріальногог русла великого кола кровообігу (894 мл). Представлені дані, не включають об'єм інтраорганних артерій. Всі вивчені змінні підкоряються закону розподілу величин, відмінному від нормального закону розподілу. Максимальне значення D дорівнює 25 мм і відповідає діаметру початкової частини аорти, а мінімальне – 2,7 мм. Середнє значення D складає 8,81 мм. Середній діаметр артерій, на яких закінчувалися вимірювання, дорівнював 1,67 мм. Це обумовлено тим що, як правило, артерії такого діаметру з екстраорганної частини русла переходили в інтаорганне. Мода параметра D складала 5 мм, що більш ніж в 1,5 раза менше за середнє значення D. Довжина артеріальних сегментів L змінюється в широких межах: від 410 мм (максимальна) до 2 мм (мінімальна). Величиною довжини, що найчастіше зустрічається, є 50 мм, що відрізняється від середнього значення – 74 мм. Такий розкид значень обумовлений погрішностями методики. При такому підході поняття “довжина” відрізняється від класичного анатомічного уявлення, що обумовлене можливостями ультразвукової візуалізації (Гуч А.А., 2000). У зв'язку з відсутністю чіткого формулювання поняття “довжина” щодо екстраорганних артерій до встановлених надалі закономірностей слід підходити з певною обережністю. Виявлені негативні залежності між номером генерації, рівнем розподілу, з одного боку, і діаметром, величиною перетину, об'ємом внутрішньої порожнини артерії, з іншого боку, свідчать про зменшення значень цих показників при збільшенні рівня розподілу. Проте при цьому відбувається збільшення довжини, FF і МСГО артерії. D зменшується по мірі розподілу артерії. А L підкоряється відомому анатомічному закону розповсюдження артерій за найкоротшою відстанню й залежить від розміру та віддаленості органа (або ділянки тіла), який вона забезпечує кров’ю від основного стовбура. (Бобрик І. І., 2000; Williams P.L., 2000). Досліджена популяція артерій є неоднорідною за функціями. Її складають “транзитні” артерії, завданням яких є проведення крові з мінімальними витратами енергії потоку, і “розподільні”, які мають велику кількість відгалужень і пристосовані для розподілу крові. Далі, детальніше розглядали дихотомійний розподіл, тому що він є найбільш частим випадком розгалуження. Розраховані середні величини (М=0,43 =0,28 (у.о.)) та (М=0,98 =0,31 (у.о)) дещо відрізняються від теоретично розрахованих значень - =0,41 (у.о.) (Murray C. D.) та =1,16 (у.о.) (Uylings H. B. M.). Середні значення: D/dmax=1,26 (=0,28) (у.о.) и D/dmin=2,29 (=0,91) (у.о.). Через особливості будови деяких дихотомій не вдалося визначити середнє значення . Гістограма розподілу величини переконливо демонструє наявність 3-х або 4-х неоднорідних груп. Дійсно, теоретично можливі такі структурні варіанти співвідношень діаметрів артеріальних сегментів, що складають дихотомічне розгалуження: 1) повна асиметрія, що відповідає таким умовам: Di#dmax#dmin; 2) бічна асиметрія - Di=dmax, Di#dmin, dmax#dmin; 3) однобічна симетрія - Di#dmax, Di#dmin, dmin=dmax; 4) повна симетрія - Di=dmax=dmin. Виявлено три структурно відмінні типи артеріальних дихотомій, що входять до складу артеріального розгалуження. Найчастіше зустрічається перший тип дихотомій (78%); другий тип дихотомій зустрічається у 18% випадків; третій тип дихотомій зустрічається у 4% випадків. Встановлено, що зі збільшенням номера генерації та рівня розподілу величина зростає. Із збільшенням Gr та i значення залишається незмінним. Виявлено також, сильні достовірні кореляційні залежності між величинами внутрішніх діаметрів материнського й дочірніх сегментів, що становлять дихотомічне розгалуження. В основу математичних моделей ідеального артеріального русла покладено принцип мінімальних витрат біологічного матеріалу та енергії потоку крові – W. Roux. Передбачалося, що функцією судинної дихотомії є проведення крові з мінімальними витратами енергії. Реалізація цього принципу здійснюється і виявляється, шляхом узгодження діаметрів артерій як складових частин розгалуження. За критерії “оптимальності” побудови деревоподібного русла брали значення параметрів: (C. D. Murray) та (H. B. M. Uylings). Оптимальними вважаються дихотомії, для яких величини цих показників перебувають у межах: 2,3<<3 або 1<1,26. У нашому дослідженні 89% дихотомій не відповідає критерію C. D. Murray або 70% критерію H. B. M. Uylings, тобто не налаштовані тільки на проведення крові з найменшими витратами. Виникає закономірне питання про адекватність вживаної для вивчення дихотомій методики й “нормиекстраорганних частин русел, що вивчалися. Треба сказати, що ця методика успішно застосовується для вирішення завдань якісного визначення патології артерій. Проте, сьогодні, тільки обговорюються питання кількісних критеріїв “норми” артеріального русла. Функція дихотомій полягає не тільки в проведенні крові, але й у її розподілі, регулюванні тиску та об'ємній швидкості потоку крові. Можна припустити, що близько 11%, або 30% дихотомій, складають ті, головною функцією яких є проведення крові з мінімальними витратами енергії потоку. Для визначення норми будови екстраорганної частини артеріального русла великого кола кровообігу краще не застосовувати величини показників та , оскільки перший - не завжди може бути розрахований, а другий - не відображає функцію русла в повному обсязі.
Відповідно до 2-ї та 3-ї задач (4 – 10-й розділи роботи), було проведено морфометричне
Таблиця 1.
Морфометрична характеристика артеріального русла функціонально-різних органів, як конструкції, яка складається з сегментів.
Орган | D (M; )
(мм) | L (M; )
(мм) | FF (M; )
(у.о.) | МСГО (M; )
(мм-3) | Деревоподібні (магістральна форма русла) артерії | М`яз | 0,91; 0,557,82; 6,9 19,85; 15,55 144570; 446385 | Серце | 0,72; 0,5 4,23; 4,27 | 14,62; 14,49 11008; 125512
Мозок | 0,91; 0,5 | 8,97; 8,03 23,56; 22,59 | 11472; 46771 | Деревоподібні артерії кишок | 0,53; 0,17 8,46; 6,32 35,05; 28,57 | 18320; 39704 | Деревоподібні (розсипна форма русла) артерії | Нирка | 1,65; 0,94 5,62; 4,6 7,87; 6,42 1285; 16539 | Печінка | 0,68; 0,59 6,26; 4,78 26,04; 24,99 29851; 109036 | Селезінка | 0,61; 0,44 | 3,11; 2,46 13,52; 11,74 284; 2044
Циклічні артерії
Циклічні артерії кишок | 0,99; 0,38 4,6; 3,25 10,84; 9,56 3154; 18691
дослідження артеріальних русел функціонально-різних органів. Встановлено (табл. 1), що у порядку зменшення величини D органи розташувалися таким чином: нирки, головний мозок, скелетний м'яз, циклічні артерії тонкої і товстої кишок, серце, печінка, селезінка і деревоподібні артерії кишок. Найбільша величина L притаманна головному мозку, потім йдуть: деревоподібні артерії кишок, скелетного м'яза, печінки, циклічних артерій кишок нирки, серце та селезінка. Збільшення розміру органа (як параметра) супроводжується більшим зростанням L порівняно з D. Середня величина L визначається середніми розмірами органа й меншою мірою залежить від виду органа, тоді як середня величина D визначається, у першу чергу, видом органа, і вже в межах цього виду залежить від його розмірів. Найбільшу величину МСГО мають сегменти скелетного м'яза, потім у порядку зменшення: печінка, деревоподібні артерії кишок, головний мозок, серце, циклічні артерії кишок, нирки і селезінки. Найбільша величина FF характерна для деревоподібних артерій кишок, потім у порядку зменшення: печінка, головний мозок, скелетний м'яз і циклічні артерії кишок, серця, селезінки та нирки. Встановлено відсутність сильних залежностей між показниками D та L для всіх досліджених деревоподібних русел. Виявлено (табл. 2), що із зростанням номера Gr величина D сегментів зменшується:
Таблиця 2.
Зміни величин показників D, L, FF та МСГО сегментів, які відбуваються зі збільшенням Gr та і (наведені цифри – коефіцієнти рангової кореляції Спірмена).
Орган | D (мм) | L (мм) | FF (у.о.) | МСГО (мм-3) | Gri | Gr | i | Gr | i | Gr | i
Деревоподібні (магістральна форма русла) артерії | М`яз | -0,75 | -0,43 | -0,38 | 0 | 0,28 | 0,35 | 0,68 | 0,48Серце | -0,58 | -0,23 | 0 | 0 | 0,43 | 0 | 0,43 | 0,2Мозок | -0,53 | -0,35 | 0 | -0,19 | 0,32 | 0 | 0,54 | 0,27Деревоподібні артерії кишок | -0,45 | -0,59 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,33 | 0,44Деревоподібні (розсипна форма русла) артерії | Нирка-0,54 | -0,56 | -0,17 | 0 | 0 | 0,19 | 0,45 | 0,53Печінка | -0,53 | -0,56 | -0,21 | -0,21 | 0,16 | 0,12 | 0,49 | 0,49 | Селезінка | -0,44 | -0,53 | 0 | 0 | 0,39 | 0,26 | 0,49 | 0,53скелетний м'яз, серце, головний мозок, деревоподібні артерії кишок, нирки, печінка, селезінка. Із збільшенням i значення D також зменшується: скелетного м'яза, серця, головного мозку, деревоподібних артерій кишок, нирки, печінки і селезінки. Інакше поводяться значення L і FF. Із зростанням Gr L скелетного м'яза, нирки, печінки зменшується, а серця, головного мозку, деревоподібних артерій кишок і селезінки достовірно не змінюється. Із збільшенням i L скелетного м'яза, серця, деревоподібних артерій кишок, нирки і селезінки достовірно не змінюється, а головного мозку і печінки – зменшується. Величина FF скелетного м'яза, серця, головного мозку, печінки і селезінки збільшується зі зростанням Gr, а деревоподібних артерій кишок і нирки достовірно не змінюється. Із збільшенням i значення FF скелетного м'яза, нирки, печінки і селезінки збільшується, а серця, головного мозку, деревоподібних артерій кишок – достовірно не змінюється. У зв'язку з характером розподілу величини FF і відсутністю залежності між D і L, достатньої для математичного моделювання, цей показник не треба використовувати для математичного моделювання деревоподібного русла досліджених органів. Величина МСГО сегментів всіх органів збільшується зі зростанням Gr: скелетного м'яза, серця, головного мозку, деревоподібних артерій кишок, нирки, печінки, селезінки та i: скелетного м'яза, серця, головного мозку, деревоподібних артерій кишки, нирки, печінки, селезінки. Слід зазначити кількість і/або сила кореляційних зв'язків між Gr і показниками D, L, FF та МСГО більші у русел скелетного м'яза, серця, головного мозку й деревоподібних артерій кишок, ніж між цими ж морфометричними показниками та i. І навпаки, кількість і/або сила кореляційних зв'язків між Gr і досліджуваними показниками менші для артеріальних русел нирки, печінки та селезінки, ніж між цими ж морфометричними показниками та i. Встановлено (табл. 3), що найчастішим
Таблиця 3.
Морфометрична характеристика артеріального русла, як конструкції, яка складається з розгалужень.
Форма русла | Орган | СМ=2 (%) | СМ=3 (%) | СМ=4 (%) | Деревоподібні (магістральна форма русла) артерії | М`яз | 98 | 2 | 0 | Серце | 98,6 | 1,40 | Мозок | 96 | 4 | 0
Деревоподібні артерії кишок | 97 | 3 | 0 | Деревоподібні (розсипна форма русла) артерії | Нирка | 86 | 131 | Печінка | 93 | 6,80,2Селезінка | 86 | 131
Циклічні артерії | Циклічні
артерії кишок | 100 | 0 | 0
випадком є дихотомічний розподіл (СМ=2). Трихотомія (СМ=3) – більш рідкісне явище. А квадритомія (СМ=4) спостерігалася тільки в нирках, селезінці і печінці. Русла досліджених органів можна поділити на 2 групи. У першій наявні квадрифуркації та трифуркації складають більше 5% від загальної кількості артеріальних розгалужень (нирка, печінка та селезінка). У другій групі квадрифуркації відсутні, а трифуркації складають менше 5% від загальної кількості артеріальних розгалужень (скелетний м'яз, серце, головний мозок, тонка й товста кишки). Далі дихотомії було піддано більш детальному дослідженню (табл. 4). Найбільша величина характерна для
Таблиця 4.
Величини де яких морфометричних показників дихотомічних розгалужень.
Вид русла | (M; )
(у.о.) | (M; )
(у.о.) | Di/dmax
(M; ) (у.о.) | Di/dmin
(M; ) (у.о.)
Деревоподібні (магістральна форма русла) артерії | М`яз | 0,45; 0,32 | 1,06; 0,35 | 1,24; 0,34 | 2,37; 1,39 | Серце | 0,48; 0,31 | 1,05; 0,32 | 1,24; 0,29 | 2,17; 1,2 | Мозок | 0,33; 0,31 | 1,04; 0,29 | 1,17; 0,34 | 3,3; 2,4 | Деревоподібні артерії кишок | 0,56; 0,32 | 1,07; 0,35 | 1,26; 0,27 | 1,99; 0,83 | Деревоподібні (розсипна форма русла) артерії | Нирка | 0,51; 0,28 | 1,06; 0,32 | 1,23; 0,26 | 0,07; 1,11 | Печінка | 0,47; 0,44 | 0,86; 0,34 | 1,44; 0,69 | 3,02; 2,16 | Селезінка | 0,45; 0,38 | 0,84; 0,34 | 1,43; 0,51 | 3,13; 2,04
Циклічні артерії
Циклічні артерії кишок | 0,66; 0,29 | 1,28; 0,4 | 1,2; 0,38 | 1,72; 1,14
циклічних і деревоподібних артерій кишок. Далі у порядку зменшеня величини цього показника йдуть русла нирки, серця, печінки, скелетного м'яза і селезінки, а закінчує ряд головний
