Моделювання елементів біотехнічної системи багатоканальної пульсометрії та розроблення пристрою формування пульсових сигналів

РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЮВАННЯ БІОМЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПУЛЬСОВИХ ЗОН ПРОМЕНЕВИХ АРТЕРІЙ ЛЮДИНИ
Як вже зазначалося, відмінні властивості зон зумовлюють необхідність
вста­новлення різних зовнішніх умов формування пульсових сигналів (
притис­кання первинних перетворювічів до тіла людини).
Тривалість процесу та точність встановлення індивідуальних зовнішніх умов
залежить від:
взаємного впливу каналів пристроїв;
дискретності (плавності) зміни притискання;
похибки перетворення фізичних величин пульсового сигналу.
На діагностичну значимість показників пульсових сигналів безпосередньо впливає
також взаємний вплив каналів пристроїв у процесі синхронної реєст­ра­ції
сигналів.
Вирішення проблем:
взаємного впливу каналів у процесах встановлення зовнішніх умов фор­му­вання та
реєстрації пульсових сигналів,
забезпечення необхідної дискретності (плавності) встановлення назва­них умов та
похибки перетворення фізичних величин сигналів первин­ними перетворювачами,
вимагає знання біомеханічних характеристик зон реєстрації, оскільки ці
показ­ни­ки залежать від взаємодії технічного інструментарію з біооб’єктом.
2.1. Біомеханічні характеристики м’яких тканин організму людини в діапа­зо­ні
частот пульсового сигналу
Біологічні тканини, основу яких складає колаген, еластин та зв’язуюча
ре­чо­вина, мають складні композиційні структури з реологічними властивостями,
що відрізняються від властивостей компонентів [101].
Дослідженню біомеханічних характеристик м’яких частин живих організ­мів
присвячена велика кількість робіт. Найбільш дослідженими виявилися су­дини
системи кровообігу та м’язи. Більшість досліджень було виконано на зраз­ках
ви­далених із трупів людей та організмів тварин.
Одна серед експериментальних труднощів дослідження залежності “напру­ження –
деформація” є визначення природного ненапруженого стану [102]. У про­тилежному
випадку мова може йти при залежність “приріст напруження – приріст деформації”,
що вимагає точного визначення початкового стану, який для струк­турних
елементів м’яких тканин живих організмів частіше невідомий.
Виключення становлять дослідження механічних властивостей шкіри, час­ти­на яких
була виконана in – situ. Однак, у цих дослідженнях, зокрема, у роботі [103]
результати представлено у формі, зручній щодо конкретної мети. Вони не можуть
бути використані у роботах іншого спрямування: пружність шкіри ав­то­ри
характеризували часом відновлення профілю шкіри після деформації.
Таким чином, на шляху синтезу біомеханічних характеристик середовища м’яких
тканин, що відділяють артерію, і шкіри в зонах реєстрації пульсових сиг­налів
променевих артерій виникають принципові труднощі:
відмінність характеристик структур від характеристик складових еле­ментів;
невизначеність деформованого стану складових елементів зон пульса­ції
променевих артерій.
У зв’язку з цим, був запропонований структурно – функціональний підхід, де
біомеханічні характеристики пульсових зон променевих артерій моделюва­лися
двома, індивідуальними для кожної людини, узагальненими елементами [91]. Їх
значення можна оцінити in – vivo. Однак, і у цьому випадку відомі
екс­перимен­тальні результати є недостатніми (за статистикою) для задачі
обгрун­тування ви­мог до первинних перетворювачів та пристроїв формування
пульсо­вих сигналів.
Окреслена ситуація вимагала розробки математичних моделей інтеграль­них
характеристик зон реєстрації у діапазоні частот пульсового сигналу, який
стано­вить (0,5 – 40) Гц [104].
Для визначення характеристик рео­логічних середо­вищ м’яких тканин жи­вих
організмів застосовують різні методи: імпедансометрії, дослідження
по­вер­хневих хвиль, затухаючих коливань тощо. Вибір методу визначається
об’єктом дослід­ження. У випадку пульсових зон променевих артерій людини
існують об­меження щодо застосування названих методів дослідження, повўязані з
будовою цих зон (рис.2.1) [105] та розташуванням артерій відносно поверхні
тіла, де від­бувається реєстрація пульсових сигналів.
Рис.2.1. Поперечний перетин руки людини в зонах реєстрації пульсових сигна­лів.
1 – променева кістка; 2 – довгий згинач великого пальця; 3 – про­меневий згинач
зап’ястка; 4 – ліктьовий м’яз; 5 – ліктьовий згинач за­п’ястка; 6– ліктьова
кістка; 7– розгинач мізинця; 8 – епідерміс; 9 – дер­ма; 10 – лік­тьо­вий
розгинач зап’ястка; 11 – ліктьова артерія; 12 – дов­гий долонний м’яз; 13–
серединний нерв; 14– розгинач пальців; 15–ко­роткий згинач великого пальця; 16
– променева артерія; 17 – короткий променевий роз­гинач зап’ястка; 18 – довгий
відвідний м’яз великого пальця.
Із наведеного рисунку видно, що променеві артерії людини в зонах реєстра­ції
пульсових сигналів знаходяться у вкрай неоднорідному середовищі, вони оточені,
зокрема, близько розташованими кістками 1, 15, 17 (рис.2.1) та мўяза­ми. Кістки
15 та 17 обмежують розміри зон у поперечному до кровообігу нап­рямку,
визначаючи обмеження щодо методів дослідження їх характеристик та
антропометричних по­казників технічного інструментарію засобів діагностики.
Будова зазначених зон виключає можливість застосування методів поверх­не­вих
хвиль [106] чи зату­ха­ючих коливань [107], які використовували, наприк­лад, у
дослідженні біомеханічних характеристик мўяких тканин плеча та перед­пліччя.
Застосування імпедансометрії для дослідження характеристик ділянок по­верхні
ті­ла людини було започатковане в роботі [108] і отримало подальший роз­виток у
роботах ря­ду авторів [109 – 113]. У роботах [109 – 112] вимірювали мо­дуль
ме­ханічного імпедансу, що дорівнює = /, де – сила, що діє на поверхню тіла з
боку вібратора, – швидкість коливання ділянки поверхні тіла, а також зсув