CZ255398A3 - Viskoelastometr pro měření viskoelasticity tkání živých organismů - Google Patents

Description

Viskoeiastometr pro měření viskoelasticity tkání živých organismů • ·♦··

Oblast techniky

Vynález se týká viskoelastometru pro měření viskoelasticity tkání živých organismů.

Dosavadní stav techniky

Významná skupina materiálů, z nichž je složen živý organismus má z mechanického hlediska charakter visko-elastických těles. To znamená, že se nejedná o čistě pevné pružné materiály ani o kapaliny. Do této skupiny patří kůže, cévní stěny, struktury vnitřních orgánů atd. Metodika kvantitativního popisu mechanických vlastností visko-elastických těles je známa z reologie.

Existuje velká skupina látek, které z hlediska mechanických vlastností nelze jednoznačně zařadit ani mezi pevná pružná tělesa, ani mezi kapaliny. V terminologii reologie (reologie je nauka o obecných mechanických vlastnostech těles) se takováto tělesa nazývají visko-elastická. Je-li visko-elastické těleso vystaveno působení síly, pak je deformační odezva výsledkem jak jeho elastických tak i plastických (viskózních) vlastností.

Kvantitativní popis závislosti mezi mechanickým napětím, působícím na viskoelastické těleso a deformační odezvou obvykle vychází z modelu, v němž jsou ve vhodném struktuře obsaženy elastické prvky (u těchto prvků je deformace přímo úměrná mechanickému napětí) a prvky plastické (u liichž je mechanickému napětí přímo úměrná časová změna deformace, tedy tok). Obecně je sice třeba brát v úvahu ještě i setrvačné prvky a prvky nelineární., ale v praktických případech pro dostatečně přesný popis mechanického chování těchto těles obvykle vystačíme s modelem, obsahujícím elastické a plastické prvky. Kvantitativní popis chování visko-elastických těles vyžaduje nalezení diferenciální rovnice dávající do relace vstupní veličinu (mechanické napětí nebo působící sílu) a výstupní veličinu (deformaci tělesa). Pokud se omezíme na visko-elastická tělesa složená z elastických a plastických prvků, je chování takovéhoto systému popsáno lineárními diferenciálními rovnicemi s konstantními koeficienty a je možno provést identifikaci diferenciální rovnice známými postupy z teorie identifikace systémů ( Eykhoff 1974, Kubík 1969). Jako vstupní informaci lze využít tzv. křivky toku (creep curves, Brož 1974). Jedná se v podstatě o dynamickou charakteristiku: zjišťuje se časový průběh deformace jako odezva na působení konstantní deformující síly. V terminologii teorie identifikace systémů sestává křivka toku ze dvou za sebou následujících přechodových charakteristik. S využitím Laplaceovy transformace lze z takovéto odezvy relativně snadno provést identifikaci. Po provedení identifikace lze určit jak strukturu modelu, tak matematický popis jeho prvků.

Mechanické vlastnosti biologických struktur in vivo jsou závislé na stáří organismu i na jeho zdravotním stavu a jsou tedy potenciálně využitelné jako indikátor stupně funkčního zestárnutí tkání a orgánů, jako markér biologického věku organismu i jako diagnostický prostředek. Přesto je jejich využití v tomto směru ojedinělé. V oblasti měření biologického věku je jako markér popsáno pouze měření mizení trvalé deformace kůže. a existují publikace popisující elastické vlastností biologických materiálů, vycházející z teorie pevných pružných těles. Tyto metody tedy nevycházejí z teorie visko-elastických těles a jsou nedokonalé i po technické stránce. Měření jsou zatížena značnou chybou, subjektivní i systematickou. Tím je dána i omezená praktická aplikovatelnost výsledků těchto typů měření.

• flflflfl • fl flfl fl fl 1 • flfl • · 1 fl flflfl fl • fl • ·

Podatata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje viskoelastometr pro měření viskoelasciticity tkání živých organismů podle vynálezu, který spočívá v tom, že sestává z měřící sondy I, fixačního zařízení 2 pro upevnění měřeného objektu, zařízení 3 pro aplikaci deformační síly, snímače 4, který snímá časovou odezvu deformace objektu 6 a převodníku 5, který signál odpovídající deformaci objektu 6 transformuje do digitální formy vhodné pro počítačové vyhodnocení. Fixační zařízení 2 sestává z posuvného stolku 21, na němž je umístěno pneumatické přítlačné zařízení 22 nad nímž je umístěna krycí destička 23 s otvorem 24 pro aplikaci měřicí sondy i na objekt 6, který je fixován mezi pneumatické přítlačné zařízení 22 a krycí destičku 23.

Klíčovým problémem pro situaci in vivo je volba vhodného místa na měřeném objektu a konstrukce fixačního zařízení. Měřené místo musí být zvoleno tak, aby bylo dobře anatomicky definované, tak aby umožňovalo opakovaná měření vždy ve stejném místě, a tak aby se předešlo spontánním pohybům během měření. Doporučené body měření jsou: vnitřní část dlaně v oblasti nad svalovinou ovládající pohyby palce, vnitřní část předloktí v oblasti nad svalovinou stehenní oblasti nohou a v oblasti nad svalovinou v lýtek, vybrané oblasti na čele a na tvářích testované osoby. Naopak se nedoporučuje provádět měření na hrudní, zádové a břišní oblasti, protože je obtížné eliminovat vliv dýchacích pohybů.

Z hlediska přesnosti a opakovatelnosti měření je podstatná fixace měřeného objektu. Aparatura musí měřit pouze časový průběh deformační odezvy, ostatní faktory ovlivňující polohu sondy musí být v průběhu celého měření zanedbatelné. Kromě volby anatomicky vhodného měřícího místa, je nutno objekt šetrně, ale dostatečně pevně fixovat. Tohoto cíle lze dosáhnout nejlépe pomocí pneumatického přítlačného zařízení (viz. obr. 2). Tímto způsobem lze eliminovat spontánní pohyby měřeného objektu, včetně svalových záškubů a svalového třasu. Fixace je přitom šetrná k měřené osobě a nezpůsobuje žádné nepříjemné pocity.

Viskoelastometr podle vynálezu odstraňuje dříve uvedené nedostatky. Teoreticky vychází z dynamických Teologických měření (měření creep curves - křivek toku) a z následné analýzy získaných charakteristik.

Přehled obrázků

Obr. 1 znázorňuje schéma viskoelastometru.

Obr.2 znázorňuje fixační zařízení a sondu včetně měřeného objektu. Obr. 3 znázorňuje viskoelastický model lidské kůže.

Obr. 4 znázorňuje elaticitu kůže v závislosti na věku u mužů.

Příklady provedení

Příklad 1.

Na obr. 1 je znázorněn viskoelastometr, který sestává z měřící sondy i, fixačního zařízení 2 pro upevnění měřeného objektu 6, zařízení 3 pro aplikaci deformační síly, snímače 4, který snímá časovou odezvu deformace objektu 6 a převodníku 5, který signál odpovídající deformaci objektu 6 transformuje do digitální formy vhodné pro počítačové vyhodnocení.

• ftft ·· ftft ·· ftft • ftft ft ft ftft · « ftft · • · · · ·· ftft·· ft ftftft···· ftftft ft ft • ft ···· ftftft • ftft ftftftft ftft ftft ·· ftft

Na obr. 2 je znázorněn fixační zařízení 2, které sestává z posuvného stolku 21, na němž je umístěno pneumatické přítlačné zařízení 22 nad nímž je umístěna krycí destička 23 s otvorem 24 pro aplikaci měřicí sondy i na objekt 6, který je fixován mezi pneumatické přítlačné zařízení 22 a krycí destičku 23.

Sonda 1 je v tomto uspořádání tvořena válcovou tyčinkou o průměru 4 mm, zakončenou kulovým vrchlíkem. Deformující síla je vyvozována vkládáním závaží (50g). Použitý převodník 5_ umožňuje přesné a citlivé snímání pohybu sondy 1_. Osvědčily se převodníky induktivního a odporového typu., kapacitní ,indukční, optické a pod. V tomto případě byl použit převodník 5 odporového typu. Signál z převodníků 5_ nese deformaci o mechanickém posuvu sondy X_ a jeho velikost odpovídá deformaci testovaného objektu 6_. Tento signál je dále A/D převodníkem 5 transformován do digitální formy a dále zpracováván počítačem, vybaveným námi vyvinutým softwarem.

Měřený objekt 6 je umístěn na vertikálně posuvném stolku 21 . Pod objektem 6_ je umístěno pneumatické přítlačné zařízení 22 . Objekt 6_ je svrchu kryt pevnou destičkou 23 s kruhovým otvorem 24 pro aplikaci měřicí sondy I. Průměr otvoru 24 je 20 mm. Před měřením se měřený objekt 6 přitiskne pneumatickým zařízením 22 ke krycí destičce 23 , přítlačný tlak j 100 mm Hg a jeho hodnota musí být konstantní během celého měření a stejná i při opakovaných měřeních, aby byla zajištěna reprodukovatelnost výsledků. Samotná tlaková přítlačná síla je vyvozována pneumatickým přítlačným zařízením 22 , jehož součástí je nafukovací gumový vak, krytý pružnou tkaninou. Celé fixační zařízení 2 je velikostí přizpůsobeno měřené části těla, ostatní konstrukční prvky jsou shodné. V případě měření v místech na ruce (dlaň, předloktí), je vhodná velikost krycí destičky 23 200 mm (délka) a 150 mm (šířka). Po přitisknutí se měřený objekt6_ zvedne posuvným stolkem 21 do pracovní polohy, dále následuje spuštění sondy 1_, aplikace deformující síly a měření křivky toku.

Během meření působí nejprve na povrch měřeného objektu 6 prostřednictvím sondy i tlaková síla ( 50 g ). V prvních okamžicích po aplikaci tlakové síly dojde k rychlé elastické deformační odezvě, která je následováná pomalejšími deformačními změnami, kdy se uplatňujeelastická i viskózní povaha tkáně. Po určité době, cca 100 s, deformační změny ustanou. Po ustálení je sonda 1_ odlehčena a na měřený objekt 6_ nepůsobí již žádná deformující síla. Po odlehčení nastává proces postupného mizení deformace vlivem elastických vlastností tkáně. Výsledná křivka toku je celková časová závislost deformace měřené tkáně na vyvozeném tlaku na ni. Pro zpřesnění měření je vhodné měření opakovat na stejném místě s dostatečnými intervaly mezi měřeními (5 až 10 min).

Příklady použití viskoelastometru

Využití metodiky pro určování stupně zestárnutí kůže a jako markéru biologického věku

Zdokonalování metodiky určení biologického věku patří k hlavním směrům vývoje současné gerontologie. Soubory testů používané v současné době obsahují řadu biofyzikálních měření. Mezi ně patří například měření akomodační šíře očí, měření zrakové ostrostí, audiometrické testy, měření krevního tlaku a tepové frekvence a řada dalších.

Mnohé pracoviště zařazují do svých souborů testů i měření pružnosti kůže. Mechanické vlastnosti kůže patří mezi veličiny, jejichž závislost na věku je velmi výrazná a jsou tedy potenciálními markéry biologického věku. Běžně používané metody jejich měření in vivo jsou však z biofýzikálního hlediska sporné. Jedná se zpravidla o měření doby potřebné k vymizení nějakého typu deformace kůže. Takovéto metody jsou zatíženy značnou subjektivní chybou a jejich výsledky jsou obtížně interpretovatelné. Navíc je zřejmé, že se nejedná o • ·

99 99 99

9 9 9 9 9 9

98 9 8 99

9 9 8 989 9 ·

9 8 9 8 9 9 9 9

988 8999 99 99 99 98 měření pružnosti, jak se obvykle uvádí, ale že výsledná doba vymizení deformace je výsledkem souhry elastických a plastických vlastností.

Uvedené nedostatky odstraňuje viskoelastometr podle vynálezu. U skupiny 82 osob, obou pohlaví ve věku od 25 do 82 let jsme provedli výše popsaným způsobem měření křivek toku. Z této dynamické charakteristiky lze odvodit reologický model kůže, sestávající ze serioparalelní kombinace dvou elastických (Hookeových) těles Hj a H2 a dvou plastických (viskózních, Newtonových) těles N2 a N3 ( obr. 3).

Reologické parametry všech čtyř komponetnt modelu vykazují závislost na věku. Jako nejvhodnější markér biologického věku se ukázal modul Hookeova tělesa, které zodpovědno za rychlou elastickou fázi charakteristiky (H1 obr. 3). Z naměřených charakteristik jsme ve všech případech vypočítali výše definovaný modul pružnosti. Současně jsme u těchto osob provedli měření následujících biofyzikálních markérů biologického věku: akomodační šíře očí, práh vnímání vysokých tónů, vitální kapacity plic, systolického a diastolického tlaku krve v klidu a po aerobním cvičení a rychlostí reakcí na akustický a vizuální podnět. Výše uvedené makrely jsme porovnali z hlediska závislosti na kalendářním věku. V úvahu jsme brali derivaci závislosti podle věku a korelační koeficient. Naše výsledky ukazují, že korelační koeficient závislosti modulu pružnosti na kalendářním věku je srovnatelný s analogickými korelačními koeficienty u věkové závislosti akomodační šíře očí, vitální kapacity plic a prahu vnímání vysokých frekvencí a výrazně lepší než u věkové závislosti reakčních časů. Navržená metodika je tedy vhodná jako nový a dobře definovaný biofyzikální markér biologického věku. ‘ '

Využití pro kosmetické účely

Z kosmetického hlediska je nej důležitější, aby převrácená hodnota Youngova modulu prvního členu (Hl) modelu podle obr. 3 měla co nejnižší hodnotu. Čím nižší je tento parametr, tím „napnutější“ a tudíž hladší je kůže. Dále je žádoucí, aby byla co nejvyšší rychlost mizení trvalých deformací kůže. Tato rychlost je závislá na kombinací parametrů členů NI, N2 a H2. Platí, že je žádoucí co nejnižší hodnota hodnota převrácené hodnoty Youngova modulu u členu H2 a co nejnižší konstanty úměrnosti mezi toky a mechanickými napětími u členů NI a N2.

Průmyslová využitelnost

Viskoelastometr podle vynálezu umožňuje měření mechanických vlastností materiálů majících charakter visko-elastických těles. Konstrukční uspořádání aparatury umožňuje měření na živých organismech (in vivo), zejména na lidském organismu. Hlavním rysem zařízení je univerzálnost použití zejména v následujících oblastech:

a) V gerontologii a geriatrii pro určování stupně zestárnutí měřených struktur jako markér biologického věku, a to jak jako samostatný indikátor, tak jako součást souborů pro určování celkového zestárnutí organismu (biologického věku).

b) V experimentální fyziologii a medicíně jako maker patologických změn měřených struktur * 00 00 ·· *0 *0 000 0 0 00 0 · 0 0 ♦ 0 0 0 0 00 0 0 00

000 00 00 000 0 · 00 0000 000

000 0000 00 ·0 0· ·· jako markér průběhu regeneračních procesů, například v průběhu hojení a rekonvalescence po zraněních, úrazech a některých patologických stavech.

c) V kosmetice jako metodika hodnocení účinnosti a případně neškodnosti kosmetických přípravků a kosmetických zásahů do stavu pokožky.

• · 9 • 9 • 9 9 • 9

9999

9 9

9 9

99

9 9 9

9 9

9 9

9«

9 9 9

9 99

999 9 9

9 9

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   L Viskoelastometr pro měření viskoelasciticity tkání živých organismů vyznačující se tím, že sestává z měřící sondy (1), fixačního zařízení (2) pro upevnění měřeného objektu, zařízení (3) pro aplikaci deformační síly, snímače (4), který snímá časovou odezvu deformace objektu (6) a převodníku (5), který signál odpovídající deformaci objektu (6) transformuje do digitální formy vhodné pro počítačové vyhodnocení, přičemž fixační zařízení (2) sestává z posuvného stolku (21), na němž je umístěno pneumatické přítlačné zařízení (22) nad nímž je umístěna krycí destička (23) s otvorem (24) pro aplikaci měřicí sondy (1) na objekt (3), který je fixován mezi pneumatické přítlačné zařízení (22) a krycí destičku (23).
2. 2. Viskoelastometr podle nároku 1 vyznačující se tím, že pneumatické přítlačné zařízení vyvozuje tlak 60 až 120 mm Hg.
3. 3. Viskoelastometr podle nároku 1 a 2 vyznačující se tím, že průměr otvoru (24) je 5 až 30 mm.
4. 4. Viskoelastometr podle nároku 1 až 3 vyznačující se tím, že převodníky (5) jsou induktivního nebo odporového typu.