научная статья по теме АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О КРОВОТОКЕ И ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В ПРЕДПЛЕЧЬЕ ПРИ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О КРОВОТОКЕ И ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В ПРЕДПЛЕЧЬЕ ПРИ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 59, № 4, с. 539-544

АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. ^^^^^^^^^^^^ БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА

УДК 534.8

АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О КРОВОТОКЕ И ТЕПЛОПРОДУКЦИИ В ПРЕДПЛЕЧЬЕ ПРИ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

© 2013 г. А. А. Аносов*, **, Р. В. Беляев***, В. А. Вилков***, А. С. Казанский*, Н. А. Курятникова****, А. Д. Мансфельд***

*Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН 125009 Москва, ул. Моховая 11 Тел.: (495) 924-52-85; Факс: (495) 924-52-85 **Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова 119992 Москва, ул. Б. Пироговская 2/6 Тел.: (495) 367-18-72; Факс: (495) 248-01-81

***Институт прикладной физики РАН 603950Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.: 7(832) 436-58-10; Факс 7(832) 436-97-17 ****Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет) 119454 Москва, пр-т Вернадского 78 Тел.: (495) 433-00-66; Факс: (495) 434-92-87 E-mail: anosov@hotmail.ru Поступила в редакцию 12.03.2012 г.

Методом акустотермометрии изучено влияние кровотока и теплопродукции на изменение температуры предплечья человека при физической нагрузке. Пережимание плеча жгутом приводит к снижению кровотока, что позволяет оценить параметры исключительно теплопродукции. При расчетах глубинной температуры предплечья использовалось уравнение теплопроводности с учетом кровотока и дополнительных источников теплопродукции. Расчеты с использованием экспериментально полученных данных показали, что максимум глубинной температуры предплечья в покое составляет 36°С. Физическая нагрузка только за счет теплопродукции (без кровотока) повышает эту температуру до 37°С, а с учетом и теплопродукции, и кровотока — до 38°С. Проведенные эксперименты позволили отработать методику акустотермографических измерений на испытуемых, что является важным этапом доведения метода акустотермометрии до клинической практики.

Ключевые слова: тепловое акустическое излучение, кровоток, теплопродукция. DOI: 10.7868/S0320791913040023

Внутренняя температура конечностей тела человека определяется температурой притекающей крови, а также теплотой, выделяющейся при различных химических реакциях. Для физиологии важно определить степень влияния и кровотока, и теплопродукции на изменение температуры. Задача исследования закономерностей изменения температуры конечностей безболезненными неинвазивными методами ставилась в работах [1, 2]. В работе [1] авторы исследовали, как влияют кровоток и метаболизм на изменение температуры бицепса при физической нагрузке: для измерения глубинной температуры использовали радиотермограф (поверхностную температуру не контролировали). В работе [2] по результатам акустотермометрического контроля определялись параметры кровотока и теплопередачи (но не метаболизма) при охлаждении икроножной

мышцы. В настоящей работе исследуется влияние кровотока и теплопродукции на температуру предплечья человека. Для изменения температуры предплечья используется физическая нагрузка (как в работе [1]), а измерения глубинной температуры (как в работе [2]) проводятся методом аку-стотермографии (отметим, что акустотермогра-фия является более глубинным методом по сравнению с радиотермографией [3]). Измерения поверхностной температуры проводятся методом инфракрасного тепловидения [4].

Определение параметров кровотока и теплопродукции при физической нагрузке является не единственной задачей исследования. Акустотер-мографию можно использовать для контроля температуры при различных медицинских процедурах, например при гипертермии [5]. Поэтому

о * , А (а)

О \ 1 2

(б)

ф с * { 1 ( 1 О

#

| =а2 0-п (г - ^)+а,

(1)

где t — время; х — ось, направленная вглубь предплечья (х = 0, х = d — координаты ладонной и тыльной поверхностей предплечья соответственно, d — толщина предплечья); Т — меняющаяся во времени и в пространстве глубинная температура предплечья; ТЛерШ = 37°С — температура притека-

ющей крови; п — удельный кровоток; а2 — коэффициент температуропроводности; О — дополнительные источники тепла внутри организма, не связанные с кровотоком (т.е. без физической нагрузки, О = 0). Граничные условия определяются температурами поверхности предплечья с ладонной стороны Тш,а и с тыльной стороны ТШ1р.. Пока на поверхность предплечья не нанесен гель, температуры поверхностей совпадают Т'иф = ТШф = = Т'¡игт и распределение температуры считается дТ

Рис. 1. Схема акустотермометрического эксперимента: вид сбоку (а) и вид сверху (б). 1 — сжатая левая кисть испытуемого (движения пальцев показаны стрелками), 2 — предплечье, 3 — датчик акустотермо-графа.

важно отработать методику измерений на испытуемых. Для этого необходимо уметь безболезненно менять глубинную температуру какого-либо участка тела человека. Достаточно просто это делать для предплечья при физической нагрузке.

Принципиальная схема акустотермометриче-ского эксперимента представлена на рис. 1. Испытуемые (в измерениях участвовали 3 человека: мужчины и женщина) сжимали—разжимали кисть 1. Для измерений теплового акустического излучения предплечья 2 был использован датчик 3 акустотермографа [6]. Акустотермограф был разработан в ИПФ РАН (полоса пропускания 1.2— 2.7 МГц, пороговая чувствительность при времени интегрирования 10 с — 0.3 К). Принимаемый акустический сигнал преобразовывался в электрический, который усиливался, проходил через квадратичный детектор и усреднялся за 30 мс. С выхода акустотермографа сигнал подавался на 14-разрядный АЦП Е14-140 (ЗАО "Ь-Сагё") с частотой дискретизации 1 кГц и поступал в компьютер, где проводилось дальнейшее усреднение данных. Поверхностную температуру руки измеряли портативным компьютерным термографом ИРТИС-2000 (www.irtis.ru) с чувствительностью 0.05 К, регистрировавшим тепловое электромагнитное излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне.

Для расчета распределения температуры использовалось уравнение теплопроводности, предложенное Пеннесом [7] для тела человека:

стационарным: = 0. Тогда решением уравне-

дг

ния (1) будет распределение температуры: Т(х) = Таер1к + ■

Т — Т

А шг[ х йергЬ

ехр

1 + ехр I — -±й

-/4x1 + ехр I -Ай - х)

(2)

1а ) V "а Распределение температуры (2) является начальным условием для уравнения (1) после нанесения на предплечье геля. После этого температура поверхности предплечья с ладонной стороны меняется, а температура поверхности предплечья с тыльной стороны остается без изменений. Считается, что параметры уравнения (1) п и О могут меняться во времени, но не меняются в пространстве. Решение уравнения (1) при заданных начальных и граничных условиях проводилось численно.

Временные изменения акустояркостной температуры ТА определялись по формуле [8]:

й

ТА(г) = Т + |у ехр (-ух) (Т(х, г) - г0)йх, (3)

о

где у — коэффициент поглощения (по интенсивности) ультразвука в тканях предплечья. В данной модели предполагалось, что исследуемая среда — предплечье — акустически однородна, рассеянием ультразвука пренебрегалось и считалось, что коэффициент поглощения не меняется. В пользу предложенной модели скажем, что важно не само наличие или отсутствие неоднородностей, а их влияние на акустояркостную температуру. В работе [9] этот вопрос исследовался: результаты показали, что влияние незначительных неоднород-ностей на акустотермометрический сигнал несущественно. Таким образом задача заключалась в том, чтобы подобрать меняющиеся во времени значения для кровотока и дополнительных источников тепла так, чтобы они согласовывались с экспериментальными данными.

Испытуемые сжимали—разжимали кисть в течение 100 с (за это время успевали совершить 120 ± 5 движений). Сценарий эксперимента был следующим: заранее (за несколько минут до начала измерений) на руку наносили гель для УЗИ пониженной вязкости (ООО "Гель-Медика",

Акустояркостная температура, °С 34.0

30.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Время, с

Рис. 2. Временные изменения измеренной акустояр-костной температуры левого предплечья испытуемого при физической нагрузке (1, 2) и без нее (3, 4), с наложенным жгутом (1, 3) и без жгута (2, 4). Работа проводилась с 100-й по 200-ю с. Результаты при физической нагрузке без жгута (1) усреднены по данным пяти, в остальных случаях (2—4) — трех экспериментов.

Россия). Далее использовались два варианта продолжения эксперимента: на плечо накладывался (чтобы снизить кровоток в предплечье) или не накладывался жгут. Такая методика измерений была предложена в работе [1]. Если жгут накладывался, то измерения длились 10 мин, если не накладывался, то 15 мин. Первые 100 с измерений рука находилась в покое, потом с 100-й по 200-ю с испытуемые сжимали—разжимали кисть (или эксперимент проводился без физической нагрузки). После работы испытуемый отдыхал, а измерения продолжались. Результаты разных экспериментов, проведенных с одним испытуемым, отличались друг от друга незначительно (и для разных испытуемых основные тенденции сохранялись).

Результаты четырех экспериментов (при физической нагрузке и без нее, с наложенным жгутом и без жгута) представлены на рис. 2. Приведены акусто-яркостные температуры, измеренные у одного испытуемого и усредненные по ансамблю (т.е. один и тот же эксперимент повторялся 3—5 раз и результаты усреднялись). Из графиков видно, что если физической нагрузки нет, акустояркостная температура предплечья немного (приблизительно на 0.7 К за 10 мин при наложенном жгуте и на 0.5 К за 15 мин без жгута) снижалась. Если осуществлялась работа, то акустояркостная температура сразу же начинала расти (быстрее без жгута) и достигала максимума (повышалась на приблизительно 1.5 К без жгута и на 0.5 К со жгутом) уже после окончания работы (через приблизительно 100 с без жгута и через 200 с со жгутом), после чего снижалась. Отметим, что в статье [1] были получены аналогичные результаты для работающего бицепса за одним исключением: радиояркостная температура бицепса начинала расти не сразу с началом работы, а с некоторой задержкой. Для того чтобы разобраться в этом вопросе, понадобились результаты измерений в ИК диапазоне.

Сценарий измерений теплового электромагнитного изл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»