CC BY
49
УДК 611.134.9-053.8]:539.3(045) ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАДНЕЙ МОЗГОВОЙ АРТЕРИИ ВЗРОСЛЫХ ЛЮДЕЙ
© Фомкина О.А., Николенко В.Н.
Кафедра анатомии человека Саратовского государственного медицинского университета им. В.И. Разумовского, Саратов; Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Москва
E-mail: oafomkina@,mail.ru
В эксперименте на одноосное продольное растяжение на разрывной машине Tira Test 28005 изучали общую прочность, предел прочности, модуль Юнга и относительную деформацию задней мозговой артерии. Под микроскопом на поперечных срезах артерии измеряли длину ее прекоммуникационного сегмента, наружный диаметр, толщину стенки, диаметр просвета. Всего исследовано 228 артерий, полученных не позднее 16 часов после аутопсии взрослых людей. Изученные морфобиомеханические параметры характеризуются значительной индивидуальной изменчивостью. Это позволило использовать их в качестве критериев в новой классификационной схеме для задней мозговой артерии. По каждому из параметров нами выделены 3 группы артерий: со средней величиной признака, с величиной признака меньше и больше средней.
Ключевые слова: задняя мозговая артерия, прочность, деформация, индивидуальная изменчивость.
INDIVIDUAL VARIABILITY OF MORPHOLOGICAL AND BIOMECHANICAL CHARACTERISTICS
OF THE BACK BRAIN ARTERY OF ADULTS Fomkina O.A., Nikolenko V.N.
Human Anatomy Department of the V.I. Razumovsky Saratov State Medical University, Saratov;
I.M. Sechenov First Moscow State Medical University, Moscow In the experiment on the uniaxial longitudinal stretching the general strength, strength limits, Young’s modulus and rel a-tive deformation of a back cerebral artery were studied with the explosive machine Tira Test 28005. Under a microscope the length of the pars precommunicalis arteriae, an external diameter, a wall thickness, and a lumen diameter were measured on the cross-section of an artery. In total it has been investigated 228 arteries received not later than 16 hours after autopsy of adults. The studied morphobiomechanical parameters are characterized by the appreciable individual variability. It has allowed to use them as criteria in the new classification scheme for a back cerebral artery. On each of parameters we sort out 3 groups of arteries: with a sign of an average value, with a value less and more than average.
Keywords: a back cerebral artery, strength, deformation, individual variability.
На сегодняшний день в лечении многих форм сосудистой патологии, в том числе и цереброваскулярной, на той или иной фазе развития все большее значение приобретают хирургические методы лечения [4, 11, 12]. Для совершенствования техники эндоваскулярных вмешательств и инструментальных диагностических мероприятий четко обозначилась потребность в знаниях не столько средней анатомической нормы, сколько всего спектра индивидуальной и типовой изменчивости органов, их конструкционных элементов, частей и тела человека в целом [6-8, 13]. В то время как вопросы возрастно-половой и билатеральной изменчивости артерий мозга в современной литературе представлены достаточно полно [1, 3, 9]. Индивидуальной изменчивости морфологических и биомеханических характеристик церебральных артерий (их прочности, упругости, жесткости, эластичности), на наш взгляд, уделено недостаточно внимания. Цель - экспериментально изучить и описать индивидуальную и сочетанную изменчивость морфологических и индивидуаль-
ную изменчивость биомеханических параметров задних мозговых артерий (ЗМА) у взрослых людей.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом исследования послужили сегменты ЗМА, полученные при аутопсии 115 трупов взрослых людей в возрастном диапазоне от 21 до 84 лет, причина смерти которых не была связана с острой или хронической сосудистой церебральной патологией. На поперечных срезах артерий под микроскопом измеряли наружный диаметр и толщину стенки ЗМА с точностью до 0,01 мм. Диаметр просвета артерий рассчитывали как разность наружного диаметра и удвоенной толщины стенки.
Изучение биомеханических свойств артерий проводилось в лаборатории математического моделирования в биомеханике (зав. - кандидат физ.-мат. наук, доцент И.В. Кириллова) кафедры ма-
тематической теории упругости и биомеханики механо-математического факультета ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им.
Н.Г. Чернышевского» (ректор, заведующий кафедрой доктор физ.-мат. наук, профессор Л.Ю. Коссович).
Забор материала для изучения биомеханических свойств артерий производили не позднее 1618 ч после наступления смерти и не позднее 2 ч после проведения аутопсии. Установлено, что механические свойства биологических тканей в течение одних суток после смерти меняются незначительно [10].
Несомненно, что исследования кровеносных сосудов при внутреннем давлении и осевом растяжении в условиях, близких к физиологическим, позволяют получить более обширную информацию. Однако изучение механических свойств мозговых артерий таким методом сопряжено с большими экспериментальными трудностями, связанными в основном с небольшими размерами этих артерий и отхождением боковых ветвей. Анализ литературных данных показал, что для исследования механических свойств отрезков целых сосудов вполне оправдано использование разрывной машины [2, 5, 10]. В связи с этим биомеханические свойства ЗМА были изучены в эксперименте на одноосное растяжение на разрывной машине Tira Test 28005, с нагрузочной ячейкой 100 Н. Данная машина позволяет испытывать образцы на сжатие и растяжение в одном направлении. Скорость нагружения составляла 10 мм/мин.
По принятой в биомеханике методике [2, 5] определяли общую прочность (Н), предел прочности (Н/мм2), модуль Юнга (Н/мм2), абсолютную (мм) и относительную деформации (%) сегментов артерий при деформировании их в продольном направлении.
Под общей прочностью мы понимали наибольшее усилие до разрыва, характеризующее способность сосуда, как целостного образования, воспринимать не разрушаясь действие внешних сил. Предел прочности - это напряжение, приходящееся на 1 мм2 поперечного сечения стенки сосуда при действии на него разрывной нагрузки. Деформация - способность материала удлиняться вплоть до разрыва, показывает, на какую часть первоначальной длины может быть растянут образец. Она определяется по величине относительной деформации, которая представляет собой отношение величины максимальной деформации образца до разрыва к его первоначальной длине. Модуль упругости (Юнга) характеризует способность материала сопротивляться растягивающей деформации и представляет собой отношение предела прочности к величине относительной де-
формации. Упругость - это свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил. Деформации, возникающие при пульсации кровеносных сосудов, всегда являются обратимыми, даже в склерозиро-ванном сосуде. Следовательно, сосудистая система работает в условиях упругих деформаций и в этих пределах все сосуды упруги [10]. Между тем различные сосуды оказывают неодинаковое сопротивление упругой деформации: одни легко податливы и деформируются в больших пределах, а другие, напротив, мало податливы. Указанные различия можно описать, используя два термина: эластичность и жесткость. Эластичность -это способность материала испытывать значительные упругие деформации при небольших усилиях. Жесткость - это способность материала сопротивляться образованию деформации. Таким образом, если стенка сосуда при незначительных нагрузках (давлении) испытывает большие упругие деформации, она эластична; а если значительная нагрузка вызывает малые деформации, то она жесткая.
Полученные данные обрабатывали вариационно-статистическим методом с использованием пакета прикладных программ Statistica-6. При изучении индивидуальной изменчивости, как и большинство исследователей, занимающихся вопросами диапазона анатомической нормы, за среднюю величину признака мы принимали диапазон варьирования М±о.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Средняя длина прекоммуникационного сегмента ЗМА без учета пола, возраста и стороны артериального круга (п=228) составляет 6,7± 0,13 мм (А=2,0-16,0 мм; 8=1,9 мм; Су=29,2%), наружный диаметр - 2,4±0,03 мм (А=1,0-3,9 мм; 8=0,4 мм; Су=17,3%), толщина стенки - 0,3± 0,01 мм (А=0,2-0,5 мм; 8=0,1 мм; Су=22,4%), диаметр просвета - 1,9±0,02 мм (А=0,5-3,2 мм; 8=0,4 мм; Су=19,4%). Полученные данные согласуются с представленными в литературе [1, 3, 9].
Средние величины биомеханических параметров ЗМА при ее продольной тракции (п=200) следующие: общая прочность - 2,5±0,05 Н (А=1,1-4,4 Н; 8=0,7 Н; Су=27,9%); предел прочности - 1,2±0,03 Н/мм2 (А=0,5-2,9 Н/мм2;
8=0,4 Н/мм2; Су=35,5%); абсолютное удлинение -4,3±0,08 мм (А=1,8-9,1 мм; 8=1,1 мм; Су=26,2%); относительное удлинение - 38,7±0,9% (А=11,9-75,0%; 8=12,0%; Су=31,1%); модуль Юнга -3,3±0,11 Н/мм2 (А=1,0-10,6 Н/мм2; 8=1,6 Н/мм2; Су=36,7%). Наибольшей вариабельностью величины признака среди всех изученных нами мор-
фологических и биомеханических параметров отличаются предел прочности и модуль Юнга, наименьшей - наружный диаметр и диаметр просвета ЗМА.
Значительная изменчивость морфобиомеханических параметров ЗМА позволила выделить группы вариантов их значений. По длине пре-коммуникационного сегмента, нами выделены 3 группы ЗМА: короткие - с длиной менее 4,7 мм; средние - с длиной, варьирующей от 4,7 до
8,6 мм, и длинные - более 8,6 мм (табл. 1). Средний возраст обладателей коротких и длинных ЗМА примерно одинаковый и составляет в среднем 52 года. Количественное соотношение мужчин и женщин в группе субъектов с короткими прекоммуникационными сегментами ЗМА - 83% и 16%; в группе субъектов с длинными преком-муникационными сегментами ЗМА - 71% и 29%.
Исходя из величины наружного диаметра, ЗМА бывают: узкими - диаметр менее 1,9 мм; средними - диаметр колеблется в пределах от 1,9 до 2,9 мм и широкими - с диаметром более
2,9 мм. Замечено, что субъекты с широкими ЗМА в среднем в 1,9 раз старше, чем с узкими - соответственно 67,9±2,2 года и 36,0±3,4 года (р<0,01). Количественное соотношение мужчин и женщин в группах вариантов с широкими и узкими артериями примерно одинаковое: 1/3 часть составляют женщины и 2/3 - мужчины.
По величине толщины стенки ЗМА подразделяются: на тонкостенные - толщина стенки менее 0,2 мм, средние - с толщиной стенки от 0,2 до 0,3 мм и толстостенные - с толщиной стенки более
0,3 мм. Средний возраст обладателей толстостенных ЗМА в 1,6 раза больше, чем у людей с тонкостенными артериями - соответственно 57,0±4,0 года и 36,8±2,3 года (р<0,01). Количественное соотношение мужчин и женщин в группе субъектов с тонкостенными ЗМА - 37% и 63%; в группе субъектов с толстостенными ЗМА - 92% и 8%.
Исходя из величины диаметра просвета, нами выделены ЗМА: узкопросветные - с диаметром просвета менее 1,5 мм, средние - с диаметром просвета, варьирующим от 1,5 до 2,3 мм, и широ-копросветные - с диаметром просвета более 2,3 мм. Субъекты с широкопросветными ЗМА в среднем в 1,7 раза старше людей с узкопросвет-ными ЗМА - соответственно 66,1±2,4 года и 38,4±3,1 года (р<0,01). Количественное соотношение мужчин и женщин в группе субъектов с узкопросветными ЗМА - 40% и 60%; в группе субъектов с широкопросветными ЗМА - 68% и 32%.
Обнаружено, что примерно 82% всех узких ЗМА относятся по величине их диаметра просвета к узкопросветным, а оставшиеся 18% - к артериям со средним просветом. При этом узкие ЗМА
в 27,3% случаев являются тонкостенными; в 4,5% - толстостенным; и в 68,2% случаев имеют среднюю величину толщины стенки.
Закономерно, что среднеширокие артерии в 94,3% случаев характеризуются средним по величине диаметром просвета. В 4% случаев такие ЗМА имеют узкий, а в 1,7% - широкий диаметр просвета. Среднеширокие артерии, как правило, обладают средней по величине толщиной стенки (85,8% наблюдений); тонко- и толстостенные ЗМА в этой группе встречаются приблизительно с одинаковой частотой, соответственно 7,4% и 6,8%.
Широкие ЗМА в нашем исследовании всегда характеризовались широким диаметром просвета. При этом в 31,2% случаев они являлись толстостенными, а в 68,8% имели среднюю величину толщины стенки (табл. 2).
По прочности нами выделены 3 группы ЗМА (табл. 3). Артерии с величиной общей прочности менее 1,8 Н и с пределом прочности стенки менее
0,8 Н/мм2 были отнесены к артериям с прочностью меньше средней. Соотношение мужчин и женщин у людей с такой прочностью примерно одинаковое, 78% и 22%. У среднепрочных артерий общая прочность колеблется в пределах от
1,8 до 3,3 Н, а предел прочности - от 0,8 до
1.6 Н/мм2. Артерии с величиной общей прочности более 3,3 Н и с пределом прочности стенки более
1.6 Н/мм2 были отнесены к артериям с прочностью больше средней. Соотношение мужчин и женщин у людей с такой общей прочностью ЗМА составляет 67% и 33%, соответственно. У субъектов с обозначенным пределом прочности оно иное: мужчины - 89%, женщины - 11%. Замечено, что средней возраст людей, общая прочность ЗМА которых меньше или больше средней, существенно не различается и составляет 57,3±2,1 и 52,5±2,5 года (р>0,05). Средний возраст субъектов, по величине предела прочности относящихся к 3-й группе ЗМА в 1,2 раза, больше, чем у субъектов 1 группы - соответственно 61,0±1,5 года и 49,4 ±2,9 года (р<0,01).
В зависимости от способности сосудистой стенки к растяжению, ЗМА бывают: малорастяжимыми - относительное удлинение менее 26,7%, среднерастяжимыми - относительное удлинение колеблется в пределах от 26,7 до 50,8% и сильнорастяжимыми - с относительным удлинением более 50,8%. Обладатели малорастяжимых ЗМА в среднем в 1,2 раза старше людей с сильнорастяжимыми стенками артерий - соответственно 59,8±1,7 года и 51,2±2,9 года (р<0,01). Количественное соотношение мужчин и женщин в группе субъектов с малорастяжимыми ЗМА -65% и 35%; в группе субъектов с сильнорастяжимыми ЗМА - 77% и 23%.
Таблица 1
Варианты изменчивости величины морфометрических характеристик ЗМА и их встречаемость (п=228)
Параметр ЗМА (мм), диапазон изменчивости и частота встречаемости ГРУППЫ ВАРИАНТОВ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Длина Короткие Средние Длинные
Диапазон изменчивости <4,7 4,7-8,6 >8,6
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
24 10,5 180 78,9 24 10,5
Наружный диаметр Узкие Средние Широкие
Диапазон изменчивости <1,9 1,9-2,9 >2,9
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
22 9,6 174 76,3 32 14,0
Толщина стенки Тонкостенные Средние Толстостенные
Диапазон изменчивости <0,2 0,2-0,3 >0,3
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
19 8,3 185 81,1 24 10,5
Диаметр просвета Узкопросветн ые Средние Широкопросветн ые
Диапазон изменчивости <1,5 1,5-2,3 >2,3
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
25 11,0 167 73,2 36 15,8
Таблица 2
Сочетанная изменчивость морфометрических параметров ЗМА
УЗКИЕ АРТЕРИИ (п=22) Варианты артерий по диаметру их просвета
Узкопросветные Средние Широкопросветные
Абс. % Абс. % Абс. %
Варианты артерий по толщине их стенки Тонкостенные 4 18,2 21 9,1 - -
Средние 13 59,1 22 9,1 - -
Т олстостенные 1 4,5 - - - -
СРЕДНЕШИРОКИЕ АРТЕРИИ (п=174) Варианты артерий по диаметру их просвета
Узкопросветные Средние Широкопросветные
Абс. % Абс. % Абс. %
Варианты артерий по толщине их стенки Тонкостенные - - 10 5,7 25 1,1
Средние 53 2,9 143 82,3 16 0,6
Т олстостенные 24 1,1 11 6,3 - -
ШИРОКИЕ АРТЕРИИ (п=32) Варианты артерий по диаметру их просвета
Узкопросветные Средние Широкопросветные
Абс. % Абс. % Абс. %
Варианты артерий по толщине их стенки Тонкостенные - - - - - -
Средние - - - - 22 68,8
Т олстостенные - - - - 10 31,2
Примечание: 1 - правые ЗМА мужчины 41 и женщины 22 лет; 2 - левые ЗМА мужчин 22 и 23 лет; 3 - правые ЗМА мужчины 46 и женщины 30 лет, левая ЗМА женщины 34 лет, обе ЗМА мужчины 27 лет; 4 - левые ЗМА мужчин 69 и 29 лет; 5 - ЗМА женщины 32 лет; 6 - правая ЗМА мужчины 43 лет.
По способности сопротивляться растягиваю- 1,8 Н/мм2, были отнесены к артериям с эластич-
щей деформации, ЗМА подразделяются на ностью больше средней. Средний возраст людей с
3 группы. ЗМА, модуль Юнга которых менее такой эластичностью стенки ЗМА составляет
60,4±1,9 года. У среднеэластичных артерий модуль упругости колеблется в пределах от 1,8 до
4.9 Н/мм2. ЗМА, модуль Юнга которых более
4.9 Н/мм2, были отнесены к артериям с эластичностью меньше средней. Средний возраст обладателей ЗМА с такой прочностью стенки в 1,3 раза меньше, чем у людей с эластичностью стенки артерии больше средней (р<0,05), и составляет 48,3±2,9 года. Количественное соотношение мужчин и женщин в группах вариантов артерий с эластичностью больше и меньше средней примерно одинаковое: 1/3 часть составляют женщины и 2/3 мужчины.
Таким образом, морфологические (длина, наружный и внутренний диаметр, толщина стенки) и биомеханические (общая прочность, предел прочности, относительное удлинение, модуль Юнга) параметры ЗМА характеризуются значительной индивидуальной изменчивостью. Это позволило использовать их в качестве критериев в новой классификационной схеме для ЗМА. По
каждому из параметров нами выделены 3 группы артерий: со средней величиной признака (2 группа), с величиной признака меньше (1 группа) и больше средней (3 группа). В 3 группе всегда преобладают мужчины. В 1 группе четкой закономерности не обнаружено: короткие, узкие, ЗМА с прочностью меньше средней, малорастяжимые и ЗМА с эластичностью больше средней -чаще принадлежат мужчинам; тонкостенные и узкопросветные артерии - женщинам.
Средний возраст субъектов, ЗМА которых по величине их наружного диаметра, толщины стенки, диаметра просвета и предела прочности относятся к 3 группе, статистически достоверно в 1,2-
1,9 раза больше, чем у людей с ЗМА, относящимися к 1 группе артерий. Малорастяжимые и ЗМА с эластичностью больше средней принадлежат мужчинам и женщинам, достоверно в 1,2-1,3 раза старшим, чем субъекты с сильнорастяжимыми ЗМА и ЗМА с эластичностью меньше средней.
Таблица 3
Варианты изменчивости величины биомеханических ЗМА и их встречаемость (n=200)
Параметр артерии, диапазон изменчивости и частота встречаемости ГРУППЫ ВАРИАНТОВ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Общая прочность (Н) Прочность меньше средней Среднепрочные Прочность больше средней
Диапазон изменчивости <1,8 1,8-3,3 >3,3
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
38 19,0 123 б1,5 39 19,5
Предел прочности (Н/мм2) Прочность меньше средней Среднепрочные Прочность больше средней
Диапазон изменчивости <0,8 0,8-1,б >1,б
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
2б 13,0 14б 73,0 28 14,0
Относительное удлинение (%) Малорастяжим ые Среднерастяжимые Сильнорастяжимые
Диапазон изменчивости <2б,7 2б,7-50,8 >50,8
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
23 11,5 147 73,5 30 15,0
Модуль Юнга (Н/мм2) Эластичность больше средней Среднеэластичные Эластичность меньше средней
Диапазон изменчивости <1,8 1,8-4,9 >4,9
Частота встречаемости Абс. % Абс. % Абс. %
19 9,5 157 78,5 24 12,0
Предложенная нами классификационная схема дополнит, а также позволит систематизировать и упорядочить имеющиеся сведения о величине размерных и деформационно-прочностных параметров этой артерии. Полученные экспериментальные данные о деформационно-прочностных свойствах должны учитываться при внутрисосу-дистых вмешательствах на ЗМА для обеспечения минимального травматического воздействия на ее стенку.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гладилин Ю.А. Вариантная анатомия внутренней сонной артерии, артериального круга большого мозга и мозговых артерий. - Саратов: Изд-во Са-рат. мед. ун-та, 2009. - 242 с.
2. Годлевска М.А. Изменения механических свойств
мозговых артериальных сосудов с возрастом. -Биомеханика: Труды Рижского научно-
исследовательского института травматологии и ортопедии. - Рига, 1975. - Вып. XIII - С. 137-141.
3. Кованов В.В. Хирургическая анатомия артерий человека. - М.: Медицина, 1974. - 359 с.
4. Кремнева Е.И. Функциональная магнитнорезонансная томография // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. - 2011. - Т. 5. - №
1. - С. 30-39.
5. Круглый М.М. Аорта (морфофизиологическое и клинико-экспериментальные исследования). - Саратов, 1981. - 128 с.
6. Никитюк Б.А. Интегративные подходы возрастной и спортивной антропологии. - М.: Институт психологии РАН, 1999. - 224 с.
7. Николаев В.Г. Использование антропологического подхода в клинической медицине // Актуальные проблемы морфологии: Сб. науч. труд. - Красноярск: Издательство КрасГМА, 2008. - 595 с.
8. Николенко В.Н. Конституция субъекта в аспекте индивидуализации технологии стереотаксических операций при хронических стенозах гортани (аналитический обзор) // Саратовский научномедицинский журнал. - 2010. - Т. 6, № 1. - С. 3236.
9. Огнева С.М. Кровеносные сосуды продолговатого мозга и варолиева моста // Многотомное руководство по неврологии / Под ред. Н.И. Гращенкова. -М.: Медгиз, 1957. - Т. 1. - 780 с.
10. Пуриня Б.А. Биомеханика крупных кровеносных сосудов человека. - Рига: «Зинатне», 1980. - 260 с.
11. Терновой С.К. III Всероссийский национальный конгресс лучевых диагностов и терапевтов // Медицинская визуализация. - 2009. - № 3. - С. 137140.
12. Alnaes M.S. Finite element simulations of blood flow in the circle of Willis: master thesis. - Oslo, 2006. -86 p.
13. Lambert H. Anthropology in health research: from qualitative methods to multidisciplinarity // British Medical Journal. - 2002. - N 325. - P. 210-222.
