Особенности применения инструментальных методов измерения вязкости крови человека Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 621.317.08

MA. Сидорова, НА. Сержантова ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА

Рассмотрены современные приборы и методы исследования вязкости, применяемые в медицине, проведен анализ информативной значимости параметра «вжкость крови» при постановке диагноза.

Вязкость; измерения; метод; вискозиметрия.

M.A. Sidorov, N.A. Serzhantova FEATURES OF APPLICATION OF TOOL MEASUREMENT METHODS OF BLOOD VISCOSITY OF THE PERSON

Modern devices and methods of the viscosit y research, applied in medicine are considered, the analysis of the informative importance «blood viscosity» parameter is lead at statement of the diagnosis.

Viscosity; measurements; a method; Viscosmetry.

В настоящее время актуальной проблемой для общества является диагностика сердечно-сосудистых заболеваний, разновидностью которых является тромбоэмболия. Неправильная диагностика, а затем проводимое лечение, влечет массовые страдания и невосполнимые социально-экономические потери. Возникновение тромбоэмболии - это риск внезапной смерти.

Несмотря на достижения научно-технического прогресса, в областях медицины и медицинской техники существует слишком мало современных приборов для эффективной экспресс-диагностики и комплексного исследования тромбоэмболии. Существующие методы и диагностические методики не всегда дают четкую картину заболевания. К ним относятся современные методы флебографии,

- , , , комплексе для постановки окончательного диагноза. Отсюда, актуальной является задача усовершенствования старых диагностических методов и разработка новых, , -

.

Авторами статьи проводились исследования, направленные на выявление наиболее эффективных методов экспресс-диагностики тромбозов и эмболий. В качестве информативного параметра исследовалась вязкости крови. Анализировались современные приборы и методы исследования вязкости, применяемые в медицине. Цели проведенных исследований - выявление возможности современных методов скрининговой диагностики тромбозов и эмболий, а также, анализ информативной значимости параметра «вязкость крови» при постановке диагноза.

В процессе выполнения исследований авторами было выявлено, что наиболее эффективным методом анализа обнаружения тромбозов и тромбоэмболии является анализ параметров биохимии крови. Рассматривалось влияние на развитие тромбоэмболии такого параметра, как вязкость крови.

Вязкость (внутреннее трение) - это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. По изменению вязкости и упругоэластическим свойствам крови можно определить характер нарушения гемокоагуляции с помощью тромбоэластрографа. Тромбоэласт-, , -

стрировать процесс свертывания крови, который может вызвать тромбоэмболию -острую закупорку кровеносных сосудов тромбами, попавшими в циркулирующую кровь и ведущую к прекращению кровоснабжения по этим сосудам соответствующих тканей и органов [1].

Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен (дая жидкостей ц с увеличением температуры уменьшается, у газов, наоборот, увеличивается), что указывает на различие в них механизмов внутреннего трения. Чем больше вязкость, тем сильнее жидкость отличается от идеальной, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают.

Для многих жидкостей вязкость не зависит от градиента скорости, такие жидкости подчиняются уравнению Ньютона (1) и их называют ньютоновскими:

г dv ...

F = п—5, (1)

dx

где F - модуль силы внутреннего трения; — - градиент скорости (скорость сдвига);

dx

5 - площадь поверхности слоя; ц - коэффициент пропорциональности, завися. , (1), -

сят к неньютоновским [2].

В кровеносном русле кровь в норме ведет себя как неньютоновская жидкость, меняющая свою вязкость в зависимости от условий течения. В связи с этим

вязкость крови в крупных сосудах и капиллярах существенно различается, а при-

водимые в литературе данные по вязкости носят условный характер. Закономерности течения крови изучены недостаточно [2]. Неньютоновское поведение крови объясняется большой объемной концентрацией клеток крови, их асимметрией, присутствием белков и другими факторами.

Совокупность методов измерения вязкости называют вискозиметрией, а приборы, используемые для таких целей, - вискозиметрами. Измеряемая на капиллярных вискозиметрах (с диаметром капилляра несколько десятых миллиметра) вязкость крови в 4-5 раз выше вязкости воды. Ее обычно характеризуют относительной вели-

П

чиной: п =-^- (^¡ф и ц% - вязкость крови и воды соответственно). Относительная

п

вязкость плазмы при тех же условиях измерения и в тех же единицах около 1,8.

При патологии и травмах текучесть крови существенно изменяется вследствие действия определенных факторов свертывающей системы крови. В основном работа этой системы заключается в ферментативном синтезе линейного полимера

- , -ня. Этот «сидень» имеет вязкость, в сотни и тысячи раз превышающую вязкость крови в жидком состоянии, проявляет прочностные свойства и высокую адгезив,

.

Образование сгустков на стенках кровеносных сосудов при нарушении равновесия в свертывающей системе является одной из причин тромбозов. Образованию сгустка фибрина препятствует противосвертывающая система крови; разрушение образовавшихся сгустков происходит под действием фибринолитической системы. Образовавшийся сгусток фибрина вначале имеет рыхлую структуру, затем становится более плотным, происходит ретракация сгустка [1].

Вязкость проявляется при движении не только жидкости по сосудам, но и тел в жидкости. Для определения параметров вязкости жидкостей применяют, в основном, методы Стокса, Пуазейля, а в медико-биологической практике еще и ме-.

Метод Стокса основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы. На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз, действует три силы [2]: сила тяжести Р=4/3 nr3pg (/ - плотность шарика), сила Архимеда Fa=4/3mr3p ’g (9 ’ - плотность жидкости) и сила сопротивления, эмпирически установленная Дж. Стоксом: F=6ztjrV, где г - радиус шарика, V - его скорость. При равномерном движении шарика сила тяжести равна

P=Fa+F или 4/3nr3pg=4/3nr3p ’g+бщrV,

откуда

V = 2p-p)gr2 . (2)

9n

Измерив скорость равномерного движения шарика, можно определить вяз.

Метод Пуазейля основан на течении жидкости в тонком капилляре. Течение вязкой жидкости по трубам представляет для медицины особый интерес, так как кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра. Вследствие симметрии ясно, что в трубе частицы текущей жидкости, равноудаленные от оси, имеют одинаковую скорость. Наибольшей скоростью обладают частицы, движущиеся вдоль оси трубы; самый близкий к трубе слой .

соотношением [2,3]:

П 4Apt

П =--------—. (3)

8 VI

Здесь R - радиус капилляра; l - длина капилляра; V - объем жидкости; Ар - разность давлений на концах капилляра; t - время движения жидкости по сосуду.

При заданных внешних условиях (Ар) через капилляр протекает тем больше жидкости, чем меньше ее вязкость и больше радиус капилляра [2]. При этом вязкость рассматривается как физический параметр и ассоциируется с сопротивлением. На основании этого можно провести аналогию между формулой Пуазейля (3) и законом Ома для участка цепи без источника тока. Разность потенциалов соответствует разности давлений на концах трубы, сила тока - объему жидкости, протекающей через сечение трубы в 1 с, электрическое сопротивление гидравлическому сопротивлению [2]:

X = П (4)

nR 4

Гидравлическое сопротивление тем больше, чем больше вязкость ц, длины l трубы и меньше площадь поперечного сечения. Аналогия между электрическим и гидравлическим сопротивлениями позволяет в некоторых случаях использовать правило нахождения электрического сопротивления последовательного и параллельного соединения проводника для определения гидравлического сопротивления системы последовательно или параллельно соединенных труб [2,4].

Чтобы придать уравнению Пуазейля обобщенный вид, справедливый и для труб переменного сечения, нужно заменить (p1 - p2)/l градиентом давления dp/dl , тогда получается следующее выражение [2]:

nR4 dp

П=-----------. (5)

8V dl

В настоящее время в клинике для определения вязкости крови используют вискозиметр Гесса с двумя капиллярами. В данном устройстве два одинаковых капилляра соединены с двумя трубочками 1 и 2. Объем крови в вискозиметре всегда одинаков, а объем воды отсчитывают по делениям на трубке 1, поэтому непосредственно получают значение относительной вязкости крови. Для удобства отсчета сечения трубок 1 и 2 делают различными так, что, несмотря на разные объемы крови и воды, их уровни в трубках будут примерно одинаковыми. Вязкость крови определяется следующим соотношением:

V п

в _ /к

V п

к ¡в

(6)

где V - объем крови в трубке 2 от отметки 0 до отметки 1; V - объем воды в трубке 1 от отметки 0 до отметки, полученной при измерении; цк и це - соответственно вязкость крови и воды. Отношение вязкости крови и вязкости воды при той же температуре называют относительной вязкостью крови.

Вязкость крови человека в норме 4-5 мПа*с, при патологии колеблется от 1,7-22,9 мПа*с, что сказывается на скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Некоторые инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие же, например, брюшной тиф и туберкулез,

- уменьшают [1,2].

Исследование влияния параметра вязкости на тромбообразование и связанного с ним риска развития тромбоэмболии проводились на разработанных автором 81шиИпк-моделях (среда МаИаЪ) методов Стокса, Пуазейля, Г есса. Метод Стокса является неудобным, поскольку он основан на движении тел в жидкости, т.е. необходимо измерять скорость падения тела (шарика) (рис. 1). К тому же предел измерения вискозиметров с движущимся шариком лежит за границами диапазона .

Рис. 1

Если пренебречь фактом, что кровь является неньютоновской жидкостью, то для измерения вязкости крови можно воспользоваться формулой Пуазейля (капиллярный вискозиметр) (рис. 2). Подобные вискозиметры также измеряют вязкость , .

Наиболее применим и достаточно прост в обращении вискозиметр Гесса (рис. 3).

Рис. 2

Рис. 3

Для определения показателей точности измерения вязкости по данному методу вычисляется значение погрешности результатов измерения.

Абсолютная погрешность (Ац = - ци ) удобна для характеристики результата измерения, так как дает возможность сразу определить недостоверные разряды [4,5].

Значение абсолютной погрешности для средней вязкости крови человека, согласно проведенным исследованиям (БтиПпк-модель Гесса) составляет Ац = 0,347 мПа*с, а среднее значение вязкости щ = (4,500 ± 0,347) мПа*с, что близко по значениям к норме.

Проведенный анализ методов исследования вязкости крови человека показал, что указанные методы не являются эталонными при проведении клинических исследований и постановке окончательного диагноза пациенту. Однако физикоматематическая концепция этих методов и разработанные на их основе Simulink-модели могут стать основой дальнейшего исследования в области создания современных эффективных методик качественной диагностики тромбоэмболии. Следует заметить, что параметр «вязкость крови» не является одиночным информативным параметром, влияющим на качество скрининговой диагностики тромбозов и эмболий. Этот параметр необходимо рассматривать как комплексный, интеграль-, , , эхитоксовое время, антитромбин 3, АПТВ, тромбиновое время, клампинг-тест,

. Simulink- , -

нованные на методах анализа вязкости Стокса, Пуазейля, Гесса, анализируют , , Simulink-

данном случае имеет ограниченное применение. Для проведения качественного скринингового исследования параметров гемостаза целесообразно применять ней, -ставлены в среде Matlab.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Петровский Б.В. Большая медицинская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1985.

2. РемизовAM. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа, 1999.

3. . . . - .: , 1999.

4. Демидова-Панферова P.M. Задачи и примеры расчетов по электроизмерительной технике. - М.: Энергоатом издат, 1990.

5. . . - . - -

ев: Издательское объединение «Веща школа», 1976.

Сидорова Маргарита Александровна

Пензенская государственная технологическая академия (ПГТА).

E-mail: [email protected].

440026, . , . . , 12, . 89.

Тел.: 88412495441.

Сержантова Наталья Александровна

440011, г. Пенза, ул. Фурманова, 11, кв. 101.

Sydorova Margarita Alexandrovna

Penza State Technological Academy (PSTA).

E-mail: [email protected].

12/89, K. Marksa street, Penza, 440026, Russia.

Phone: +78412495441.

Sergantova Nataliya Alexandrovna

11/101, Furmanova street, Penza, 440011, Russia.