Способ оценки распределения механических напряжений в биологических тканях

Изобретение относится к медицине и предназначено для оценки распределения механических напряжений в биологических тканях без какого-либо внешнего воздействия. Способ обеспечивает возможность адекватной оценки распределения механических напряжений для осуществления диагностики и соответственно выбора тактики лечения. При проведении полярископии вызывают люминесценцию исследуемой области светом длиной волны от 280 до 450 нм и оценивают распределение механического напряжения как пропорциональное степени поляризации люминесценции по формуле:

τ_{(x, y)}~Δn'_{(x, y)}

где τ_{(х, у)} - механическое напряжение в точке с координатами (х, у), Δn'_{(х, у)} - степень оптической поляризации ткани в точке с координатами (х, у). Далее последовательно формируют изображения люминесцирующей ткани при разных положениях угла плоскости поляризации поляризационного фильтра, затем отбирают пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, в каждой точке пары вычисляют абсолютные значения разности яркости (ДВ) люминесценции по формуле:

,

где: - абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, - яркость точки с координатами (х, у) первого изображения в паре, B^α+90 _{(x, y)} - яркость точки с координатами (х, у) второго изображения в паре, α - угол плоскости поляризации для первого изображения в паре. При этом степень оптической поляризации для каждой точки оценивают по формуле:

где:

Δn'_{(х, у)} - степень оптической поляризации в точке с координатами (х, у);

- абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра и при положении плоскости поляризации для первого изображения под углом α; - яркость точки с координатами (х, у), при положении плоскости поляризации поляризационного фильтра под углом α. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к медицине и предназначено для оценки распределения механических напряжений в биологических тканях без какого-либо внешнего воздействия.

В настоящее время остаются неизученными многие вопросы, связанные с биомеханическими свойствами биологических тканей. Например, отсутствие фундаментальных знаний о свойствах фиброзной оболочки глаза не позволяет решать многие практические задачи офтальмологии, такие как ранняя диагностика кератоконуса, правильная интерпретация результатов измерения внутриглазного давления. Невозможность визуализации элементов поверхностной рубцовой ткани не позволяет дифференцировать различные рубцовые тяжи (их положение, выраженность, прикрепление), что особенно важно перед проведением реконструктивных вмешательств (в частности, свободной кожной пластики, пластики лоскутами, коррекции аномалий положения), а также в мониторинге лечения, включая консервативное.

Существующие способы исследования биомеханических свойств, как правило, предполагают изменение или индуцирование напряжений в тканях. При этом на объект оказывают определенное воздействие и по ответной реакции судят о биомеханических свойствах.

Для определения распределения механических напряжений в биологических тканях используется способ исследования фотоупругости ткани, являющийся разновидностью поляризационно-оптического метода, при котором измерение напряжений и деформаций в исследуемом объекте осуществляется с помощью нанесения фотоупругих покрытий и моделирования послеоперационного эффекта (RU 2233618, 10.08.04). При этом недостатками способа являются необходимость нанесения фотоупругих покрытий, а также отсутствие возможности изучения напряжений в интактных тканях (без дополнительных деформации).

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является способ того же назначения, с помощью исследования фотоупругости ткани, основанный на режимах плоской и круговой поляризации света (Журавлев А.И. Фотоупругость роговицы в норме и при патологии глаз. Автореф. дис. докт. мед. наук, 1996, 42 с.).

Данный способ без внешнего воздействия позволяет получать коноскопическую картину оптической анизотропии, по которой косвенно можно судить о механических напряжениях в ткани, однако не обеспечивает возможности адекватной оценки построения картины поля распределения механических напряжений, так как интерференционная картина зависит от геометрии ткани, собственной анизотропии вещества ткани.

Предлагаемый способ основан на способности веществ менять оптическую анизотропию в зависимости от механических напряжений, к ним приложенных. Внутренним источником света для проведения полярископии смогло послужить свойство коллагена люминесцировать в области 450-600 нм, при возбуждении более коротковолновым излучением. В каждой точке ткани возникающее при люминесценции излучение поляризуется окружающим веществом в соответствии с существующими в этой точке напряжениями. Вследствие изначально рассеянного характера излучения, геометрия ткани оказывает незначительное влияние на картину поляризации.

Техническим результатом предлагаемого способа в офтальмологии является возможность адекватной оценки распределения механических напряжений для осуществления диагностики и соответственно выбора тактики лечения.

Технический результат достигается за счет определения степени оптической анизотропии ткани, близко-пропорционально зависящей от механического напряжения в ней, путем анализа доли пропускания люминесценции ткани линейным поляризационным фильтром при различном положении плоскости поляризации.

Способ осуществляют следующим образом.

Анализируемый участок ткани освещают лампами с длиной волны от 280 до 450 нм. Для оценки степени поляризации люминесценции вещества ткани роговицы проводят ее цифровую фоторегистрацию через фильтр, полностью отсекающий возбуждающее излучение, и через вращающийся поляризатор.

После набора серии снимков люминесцирующей роговицы, при различных положениях поляризатора, степень поляризации каждой точки определяют как разницу в яркости этой точки при двух взаимно перпендикулярных положениях поляризатора:

где: - абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, - яркость точки с координатами (х, у) первого изображения в паре, - яркость точки с координатами (х, у) второго изображения в паре, α - угол плоскости поляризации для первого изображения в паре.

Полученные разности суммируют и нормируют на общую интенсивность люминесценции, что характеризует показатель оптической анизотропии Δn для каждой точки изображения:

где:

Δn'_{(x, y)} - степень оптической поляризации в точке с координатами (х, у);

- абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра и при положении плоскости поляризации для первого изображения под углом α; - яркость точки с координатами (х, у), при положении плоскости поляризации поляризационного фильтра под углом α.

Механическое напряжение, как пропорциональное степени оптической поляризации люминесценции, оценивают по формуле:

Δτ_{(x, y)}~Δn'_{(x, y)},

где τ_{(х, у)} - механическое напряжение в точке с координатами (х, у), Δn'_{(x, y)} - степень оптической поляризации ткани точке с координатами (х, у),

Примеры

Пример 1

Из глаза выкраивают корнеосклеральный диск, помещают его в экспериментальную камеру, создают в ней необходимое для исследования давление с помощью манометра, наносят кератотомические рубцы на глубину 80% от толщины роговицы и закрепляют в экспериментальной установке.

Анализируемый объект освещают лампами с длиной волн от 280 до 450 нм.

Далее оценивают степень поляризации люминесценции вещества роговицы посредством ее цифровой фоторегистрации через фильтр, полностью отсекающий возбуждающее излучение и вращающийся поляризатор. Для этого последовательно формируют изображения люминесцирующей ткани при разных положениях угла плоскости поляризации поляризационного фильтра с интервалом в 15°, затем отбирают пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, в каждой точке пары вычисляют абсолютные значения разности яркости (АВ) люминесценции по формуле:

где: - абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, - яркость точки с координатами (х, у) первого изображения в паре, - яркость точки с координатами (х, у) второго изображения в паре, α - угол плоскости поляризации для первого изображения в паре.

Например, выбираем точки С и D, расположенные в сравниваемых участках (точка С - в зоне кератотомии, точка D - в интактной зоне (фиг.1)).

Для точки С(430, 260):

Для точки D(450, 460):

Полученные разницы суммируют и нормируют на общую интенсивность люминесценции, что характеризует показатель анизотропии для каждой точки изображения.

Δn'_{(x, y)} - степень оптической поляризации в точке с координатами (х, у);

- абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра и при положении плоскости поляризации для первого изображения под углом α; - яркость точки с координатами (х, у), при положении плоскости поляризации поляризационного фильтра под углом α.

Для точки С(430, 260):

Δn'_{(430, 260)}=(4+4+6+4+3+4)/(126+120+120+122+126+124)-25/738=0,0339.

Для точки D(450, 460):

Δn'_(450,460)=(1+0+0+1+2+3)/(78+78+77+78+78+80)=7/469=0,0149.

Оцениваем отношение механического напряжения в точке С, к напряжению в точке D как Δτ_{(x, y)}≈0,0339/0,0149=2,275.

Аналогично строим карту распределения напряжений для всей площади роговицы, на которой видно, что повышение внутриглазного давления приводит к увеличению нагрузки на коллагеновые волокна в области «дна» надрезов, при этом в центральной зоне роговицы напряжение заметно уменьшается. В связи с чем можно предположить, что оптимальным методом для измерения внутриглазного давления у пациентов после кератотомии является тонометрия по Маклакову, так как площадь аппланации при данной методике соответствует зоне наибольшего напряжения. А результаты пневмотонометрии могут быть менее достоверны, из-за ослабления напряжения в центральной зоне роговицы.

Пациентка М., 53 года.

Диагноз: ОИ: Миопия средней степени.

ОИ: Состояние после кератотомии.

Тонометрия по Маклакову ОД - 26 мм рт.ст.

ОС - 21 мм рт.ст.

Пневмотонометрия ОД - 21 мм рт.ст.

ОС - 18 мм рт.ст.

При динамической периметрии выявлено на ОД: сужение полей зрения на 10-15 градусов с носовой стороны, на ОС - норма.

При осмотре диска зрительного нерва на ОД: ДЗН бледный, сосудистый пучок смещен в носовую сторону, экскавация 0,7 ДД, на ОС ДЗН бледно-розовый, сосудистый пучок в центре, экскавация - 0,5 ДД.

В результате комплексной диагностики была выявлена глаукома на ОД, что было подтверждено тонометрией по Маклакову. Пациентке были назначены капли, снижающие внутриглазное давление. При повторном осмотре через 6 месяцев - отрицательной динамики не наблюдалось, показатель тонометрии по Маклакову - 19 мм рт.ст.

Пример 2

Пациент Ф.

Диагноз: Посттравматический деформирующий рубец кожи верхнего века. Рубцовый лагофтальм.

Усаживают пациента за фотощелевую лампу. Добиваются равномерной освещенности исследуемого участка кожи люминесцентными лампами с длиной волны от 399-415 нм.

Далее оценивают степень поляризации люминесценции вещества роговицы посредством ее цифровой фоторегистрации через фильтр, полностью отсекающий возбуждающее излучение и через вращающийся поляризатор. Для этого последовательно формируют изображения люминесцирующей ткани при разных положениях угла плоскости поляризации поляризационного фильтра с интервалом в 15°, затем отбирают пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, в каждой точке пары вычисляют абсолютные значения разности яркости (АВ) люминесценции по формуле:

,

где: - абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, - яркость точки с координатами (х, у) первого изображения в паре, - яркость точки с координатами (х, у) второго изображения в паре, α - угол плоскости поляризации для первого изображения в паре.

Выбирают точки Е (зона рубца) и А (интактная зона) для сравнения (фиг.2).

Для точки Е(1274, 565):

Для точки F(951, 302):

Полученные разницы суммируют и нормируют на общую интенсивность люминесценции, что характеризует показатель анизотропии для каждой точки изображения.

Δn'_{(х, у)} - степень оптической поляризации в точке с координатами (х, у);

- абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра и при положении плоскости поляризации для первого изображения под углом α; - яркость точки с координатами (х, у), при положении плоскости поляризации поляризационного фильтра под углом α.

Для точки Е(1274, 565):

Δn'_(1264,565)=(8+6+1+4+11+3)/(177+179+176+173+170+175)=33/1050=0,0314.

Для точки F(951, 302):

Δn'_(951,302)=(2+3+5+1+6+3)/(156+155+164+153+157+160)=20/945=0,0211.

Оцениваем отношение механического напряжения в точке Е к напряжению в точке F как Δτ_{(x, y)}≈0,0314/0,0211=1,488.

Аналогично строим карту распределения напряжений для всей площади века.

Это позволило избежать свободной кожной пластики в половине случаев (в 6 из 12).

В данном случае полученные результаты картирования, в том числе и при взгляде вниз, повлияли на тактику лечения (места инъекций препаратов) и предопределили эффективность терапии рубцового лагофтальма.

Способ оценки распределения механических напряжений в биологических тканях, включающий в себя проведение полярископии, отличающийся тем, что при проведении полярископии вызывают люминесценцию исследуемой области светом длиной волны от 280 до 450 нм и оценивают распределение механического напряжения как пропорциональное степени поляризации люминесценции по формуле
τ_{(x, y)}~Δn'_{(x, y)},
где τ_{(х, у)} - механическое напряжение в точке с координатами (х, у), Δn'_{(х, у)} - степень оптической поляризации ткани в точке с координатами (х, у), при этом последовательно формируют изображения люминесцирующей ткани при разных положениях угла плоскости поляризации поляризационного фильтра, затем отбирают пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, в каждой точке пары вычисляют абсолютные значения разности яркости (ΔВ) люминесценции по формуле

где - абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра, - яркость точки с координатами (х, у) первого изображения в паре, - яркость точки с координатами (х, у) второго изображения в паре, α - угол плоскости поляризации для первого изображения в паре, а степень оптической поляризации для каждой точки оценивают по формуле

где Δn'_{(х, у)} - степень оптической поляризации в точке с координатами (х, у);
- абсолютные значения разности яркости люминесценции ткани в точке с координатами (х, у) для пары изображений, полученные при взаимно перпендикулярном положении плоскостей поляризации поляризационного фильтра и при положении плоскости поляризации для первого изображения под углом α; - яркость точки с координатами (х, у) при положении плоскости поляризации поляризационного фильтра под углом α.